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西安工程大學樊威教授團隊《Nano Energy》:一種可規模化制備的納微結構高耐久性摩擦納米發電紗線
2022-09-08  來源:高分子科技

  摩擦發電機(TENGs)作為一種能源和自驅動傳感器在近些年受到廣泛關注。其中,基于纖維的摩擦發電機(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勢。然而,目前報道的纖維基TENGs主要集中提高其功率方面,在其實用性(舒適性、耐久性)和規;苽溥有諸多問題需要解決。因此,現有的纖維基TENGs目前還主要停留在實驗室階段。


  樊威教授團隊致力于基于服裝人體工效學的智能可穿戴紡織品的創新設計與制備解決智能可穿戴產品穿著舒適性和穩定性差的問題。本工作團隊設計并制備了一種納微結構摩擦發電紗線NMSY,通過結合共軛靜電紡和環錠紡紗工藝(如圖1),實現大規模生產,并驗證了用于人體收集機械能和運動傳感的潛力。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錠紡工藝包覆在NESY上得到NMSY。同時通過環錠紡工藝制備微米結構摩擦發電紗線PRSY,并對NESY、PRSYNMSY的電輸出性能進行了對比研究(如圖3),結果表明NMSY的輸出性能高于NESYPRSY,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,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。


1 NMSY制備


2 PRSYNESYNMSY的制備及NMSY的形貌


3 NESY、PRSYNMSY電性能輸出及NMSY的工作原理和電荷轉移機制


  如圖4所示,首先,對NESYPRSYNMSY進行了力學性能和耐磨性測試,NMSY力學性能和耐磨性都高于NESYPRSY,這歸結于NMSY特殊的結構和工藝。NMSY的抗拉強度為70.1 MPa,拉伸應變為20%,PRSYNESY分別為64.3 MPa/16%1.3 MPa/7.8%NMSY在單紗耐磨儀測試下耐磨次數可以達到4500次,PRSYNESY耐磨次數只有3000次和550次。此外,NMSY具有良好耐洗性能,在10次機洗后電壓不變。NMSY優異的疏水性能,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。


4 NMSY的機械性能、耐磨、耐洗和防水性能


  將NMSY與普通棉紗相嵌在針織機進行織造,如圖5所示。所得織物進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,具有優異的可穿戴舒適性,可作為長期穿戴的電子產品。


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,在負載700 MΩ下功率密度可以達到487.8 mW/m2。電子織物可以點亮22“XPU”LED燈并可以給商用電容器充電。


6 NMSY電子織物電性能輸出


  NMSY及其織物在實際應用中表現出色。在檢測人體關節運動方面,可以檢測微小運動,具有較高的精度。并可以作為摩爾斯電碼編程應用。如圖7所示。


7 NMSY和電子織物作為自供電傳感器應用展示


  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行混合織造,制備出具有優異舒適性能電子紡織品,對人體運動檢測和機械能收集。此項工作為摩擦納米發電紗線的設計和規模化制備提供新的方法,并促進智能電子與紡織相結合的工程應用,對未來摩擦電紗線商業化發展具有一定意義。


  該工作以研究論文形式發表在納米科技領域TOP期刊Nano Energy上(中科院大類一區,IF=19.069)。第一作者為西安工程大學樊威教授團隊碩士研究生陳煒純,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李翼教授,西安工程大學碩士研究生于希晨、羅宇、王維婷和雷睿心。該研究得到國家自然科學基金面上項目、紡織之光基礎研究項目、咸陽市科學技術局重點研發計劃、西安市科學技術局重大科技成果就地轉化資助項目的資助。


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

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(責任編輯:xu)
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