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西安工程大學(xué)樊威教授團(tuán)隊(duì)《Nano Energy》：一種可規(guī)；苽涞募{微結(jié)構(gòu)高耐久性摩擦納米發(fā)電紗線
2022-09-08  來源：高分子科技

  摩擦發(fā)電機(jī)(TENGs)作為一種能源和自驅(qū)動傳感器在近些年受到廣泛關(guān)注。其中，基于纖維的摩擦發(fā)電機(jī)(TENGs)由于其靈活、輕便的特性，在能量收集和人體動作傳感方面具有較大優(yōu)勢。然而，目前報(bào)道的纖維基TENGs主要集中提高其功率方面，在其實(shí)用性（舒適性、耐久性）和規(guī)模化制備還有諸多問題需要解決。因此，現(xiàn)有的纖維基TENGs目前還主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段。


  樊威教授團(tuán)隊(duì)致力于基于服裝人體工效學(xué)的智能可穿戴紡織品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制備，解決智能可穿戴產(chǎn)品穿著舒適性和穩(wěn)定性差的問題。本工作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種納微結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電紗線（NMSY），通過結(jié)合共軛靜電紡和環(huán)錠紡紗工藝(如圖1)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，并驗(yàn)證了用于人體收集機(jī)械能和運(yùn)動傳感的潛力。如圖2所示，通過共軛靜電紡在銅絲表面包覆一層PA/ZnO納米纖維得到納米包覆紗(NESY)，然后將疏水滌綸纖維通過環(huán)錠紡工藝包覆在NESY上得到NMSY。同時(shí)通過環(huán)錠紡工藝制備微米結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電紗線（PRSY），并對NESY、PRSY和NMSY的電輸出性能進(jìn)行了對比研究(如圖3)，結(jié)果表明NMSY的輸出性能高于NESY和PRSY，這歸功于靜電紡PA/ZnO納米纖維作為中間層以提高電輸出性能。PA11/ZnO中間層作為捕獲位點(diǎn)，可以捕獲自由電荷，不會被相反的電荷中和，如圖2a (iii)所示，它可以更好地存儲電荷，減少空氣中的電荷損失和電極的中和。


圖1 NMSY的制備


圖2 PRSY、NESY和NMSY的制備及NMSY的形貌


圖3 NESY、PRSY和NMSY電性能輸出及NMSY的工作原理和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制


  如圖4所示，首先，對NESY、PRSY和NMSY進(jìn)行了力學(xué)性能和耐磨性測試，NMSY的力學(xué)性能和耐磨性都高于NESY和PRSY，這歸結(jié)于NMSY特殊的結(jié)構(gòu)和工藝。NMSY的抗拉強(qiáng)度為70.1 MPa，拉伸應(yīng)變?yōu)?/span>20%，PRSY和NESY分別為64.3 MPa/16%和1.3 MPa/7.8%。NMSY在單紗耐磨儀測試下耐磨次數(shù)可以達(dá)到4500次，PRSY和NESY耐磨次數(shù)只有3000次和550次。此外，NMSY具有良好耐洗性能，在10次機(jī)洗后電壓不變。NMSY優(yōu)異的疏水性能，在水滴滴落到紗線表面，0.4 s即可滾落，并在水滴滴落后電流輸出不變。


圖4 NMSY的機(jī)械性能、耐磨、耐洗和防水性能


  將NMSY與普通棉紗相嵌在針織機(jī)進(jìn)行織造，如圖5所示。所得織物進(jìn)行透氣和透濕性能測試，可以看出，電子織物的透氣性和透濕性均介于棉織物、滌綸織物、牛仔織物之間，具有優(yōu)異的可穿戴舒適性，可作為長期穿戴的電子產(chǎn)品。


圖5 NMSY電子織物與不同普通面料的透氣性及透濕性


  如圖6所示，單電極電子織物在2-4 Hz下接觸分離的電性能輸出，在負(fù)載700 MΩ下功率密度可以達(dá)到487.8 mW/m2。電子織物可以點(diǎn)亮22個(gè)“XPU”LED燈并可以給商用電容器充電。


圖6 NMSY電子織物電性能輸出


  NMSY及其織物在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出色。在檢測人體關(guān)節(jié)運(yùn)動方面，可以檢測微小運(yùn)動，具有較高的精度。并可以作為摩爾斯電碼編程應(yīng)用。如圖7所示。


圖7 NMSY和電子織物作為自供電傳感器應(yīng)用展示


  綜上所述，NMSY具有較高的摩擦電性能輸出和耐磨性，可以和各自商用紗線進(jìn)行混合織造，制備出具有優(yōu)異舒適性能電子紡織品，對人體運(yùn)動檢測和機(jī)械能收集。此項(xiàng)工作為摩擦納米發(fā)電紗線的設(shè)計(jì)和規(guī)；苽涮峁┬碌姆椒，并促進(jìn)智能電子與紡織相結(jié)合的工程應(yīng)用，對未來摩擦電紗線商業(yè)化發(fā)展具有一定意義。


  該工作以研究論文形式發(fā)表在納米科技領(lǐng)域TOP期刊Nano Energy上（中科院大類一區(qū)，IF=19.069）。第一作者為西安工程大學(xué)樊威教授團(tuán)隊(duì)碩士研究生陳煒純，共同第一作者王琪副教授，通訊作者為樊威教授，合作者包括英國曼徹斯特大學(xué)李翼教授，西安工程大學(xué)碩士研究生于希晨、羅宇、王維婷和雷睿心。該研究得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、紡織之光基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、咸陽市科學(xué)技術(shù)局重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、西安市科學(xué)技術(shù)局重大科技成果就地轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目的資助。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107769

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（責(zé)任編輯：xu）
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