東華大學覃小紅教授、納米能源所蒲雄研究員 Nano Energy：連續制備納/微取向纖維基防水透濕、耐磨可水洗織物摩擦納米發電機
2022-10-20 來源：高分子科技
電子紡織品已經發展成為一種集多功能于一體的柔性電子平臺，但由于傳統工藝制備的紡織基電子面料的比表面積小，電荷密度低，而對其進行二次加工，往往會破壞面料自身的性能（如：柔軟性、透氣性、透濕性等舒適性能）。因此開發一種制備工藝簡便、舒適性能優異的紡織基自供電式電子設備尤為重要。
近日，東華大學覃小紅教授課題組與中科院納米能源所蒲雄研究員團隊合作，連續制備了一種納/微包芯紗基防水透濕織物摩擦納米發電機，用于能量收集、自供電濕度監測以及壓力傳感系統。該工作采用共軛靜電紡紗技術連續制備軸向排列的納/微包芯紗（CSYs），一步成型，其中Ag/nylon紗作為導電芯紗，PCL和表面改性的PVDF納米纖維包覆在芯紗周圍，作為摩擦層材料，皮層纖維呈取向排列，不僅增加了紗線的結構穩定性，而且與芯層的接觸面積更大，兩者均編織成簡易的平紋織物，組合成全纖維基雙電極摩擦納米發電機（CSYF TENGs）。由于皮鞘多級結構和大的比表面積，CSYF TENGs展示出優異的電學性能輸出，良好的耐久性和生物力學壓力敏感性；此外還具有出色的舒適性（防水、透濕，以及柔軟度），耐水洗和耐磨性能。由于納米纖維皮層具有良好的芯吸作用，CSYF TENGs對濕度極為敏感，其電學性能輸出對濕度可達到快速相應及迅速恢復，可以作為理想的自供電濕度傳感器。該CSYF TENGs可作為生物能量收集器，自供電微弱力傳感器，織物基電子皮膚，展示了其在可穿戴TENGs和自供電電子紡織品中的潛在應用價值。
圖1. 單軸取向排列納/微包芯紗（CSYs）和對應CSYF TENG的制備及形貌示意圖。
圖2. CSYF TENGs作為自供電濕度傳感器的性能展示。
圖3. CSYF TENGs作為壓力傳感器的性能表征以及自供電可穿戴鍵盤的工作原理。
本文通過簡易的共軛靜電紡紗技術一步法成功制備了納米纖維取向排列的納/微結構包芯紗，編織成織物可組裝成雙電極摩擦納米發電機，可用于機械能的收集和轉換，其展示出優異的電學輸出性能，較高的壓力靈敏性，以及靈敏的濕度傳感性能。此外，該納米纖維織物基TENGs不僅具有出色的舒適性，比如：防水透濕性、柔軟性、質輕等，而且可耐機洗，以及良好的耐磨性。這種可連續化制備皮芯結構納米纖維紗線基電子面料，展示了其在摩擦納米發電領域及自供電電子系統中存在巨大的應用潛力，對其商業化的發展具有一定的意義。
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（責任編輯：xu）
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