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西南大學甘霖/黃進團隊《Carbohyd. Polym.》：基于柔性極化橋的纖維素納米晶基多孔壓電自供能傳感器

2022-09-23 來源：高分子科技

纖維素納米晶（CNC）作為一種極性的單斜晶體，具有優異的壓電開發潛力，進而基于CNC的多孔壓電材料可望用于制于輕質便攜的自供能器件。然而，CNC的壓電性能并不能與常規無機壓電陶瓷相媲美，以其為基體的多孔材料可能還面臨著極化難題和力學性能不足的瓶頸。首先，CNC基多孔壓電材料的韌性強化尤為困難，因為CNC的壓電特性主要基于其高度結晶結構，而高結晶度的CNC在被引入多孔材料體系易導致韌性急劇下降。更令人為難的是，多數增韌多孔材料的技術方法會增大CNC的極化難度，導致其壓電特性更難以發揮。

針對這些共性問題，西南大學化學化工學院軟物質材料化學與功能制造重慶市重點實驗室甘霖和黃進團隊發展了一種柔性極化橋的策略，如圖1所示利用弱極性柔性高分子（PEG）將CNC顆粒交聯，并且基于PEG的松弛介電特性實現CNC壓電特性的極化誘導，進而通過定向誘導凍干制成了各向異性的壓電多孔材料。PEG在該氣凝膠中不僅能提高多孔材料的韌性，其極性基團與CNC表面的羥基亦有極好的相容性，因此PEG的松弛介電信號能有效地誘導CNC極化，尤其在定向凍干所形成的取向孔隙中表現更為出色。

圖1. CNC/PEG氣凝膠制備示意圖。

圖2展示了定向誘導凍干對CNC/PEG多孔材料的孔隙影響，結果表明更低的冷凍溫度會帶來取向度更高的孔隙。同時，圖3顯示更低的凍干溫度會降低壓電性能，這是由于長徑比過大的孔隙會限制多孔材料中PEG的分子運動，進而降低了PEG的介電松弛性能，最終引起壓電輸出電壓下降。尤其值得注意的是， CNC/PEG壓電特性是在動應力頻率接近PEG松弛頻率時達到最佳（如圖3c所示），這表明CNC的壓電輸出與PEG的松弛行為有直接關聯。

圖2. 纖維素納米晶基多孔材料的SEM圖、孔隙率、比表面積和孔隙尺寸。

圖3. 纖維素納米晶基多孔材料的壓電輸出電壓。

結合圖4中CNC/PEG多孔材料的力學行為和介電表征結果，發現過大的長徑比將導致CNC顆粒與PEG分子在孔壁中的力學行為受限，進而引起壓電輸出能力和傳感穩定性下降。相反地，適當的孔隙長徑比更有助于材料的彈性強化，對材料的力學行為穩定性提升有重要貢獻。進而，該材料的力電耦合系數可調控至高達0.69。基于上述性能的支撐，嘗試將此多孔材料應用于人體運動監測，發現其能非常靈敏地識別不同部位不同力度的運動模式（如圖5所示）。

圖4. 纖維素納米晶基多孔材料的壓縮力學行為與機電耦合行為。

圖5. 基于纖維素納米晶基多孔材料的自供能傳感器件。

綜上可見，西南大學甘霖和黃進團隊研究了柔性高分子增韌途徑對CNC基多孔壓電材料力學、電學及力電耦合性能的影響機制。結果表明，弱極性的PEG在發揮增韌功能的同時，還可通過其介電松弛行為強化CNC的壓電輸出能力；同時，定向誘導凍干所專門調控形成的取向孔隙，對PEG這一柔性極化橋有進一步促進作用。該CNC基多孔材料的生物相容性已得到初步實驗驗證，適合用于人體可穿戴設備中的自供能器件，具有對不同人體運動進行靈敏監測的功能。該工作以“Improved piezoelectricity of porous cellulose material via flexible polarization-initiate bridge for self-powered sensor”為題，發表于Carbohydrate Polymers，2022，298，120099（DOI: 10.1016/j.carbpol.2022.120099），受到了國家自然科學基金（51973175）、重慶市英才計劃創新創業示范團隊及技術創新與應用開發“包干制”項目（CQYC201903243、cstc2021ycjh-bgzxm0307）、重慶市高校創新研究群體（CXQT19008）等多個項目的資助，西南大學化學化工學院畢業碩士研究生李淑芳為該研究工作的第一作者。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861722010049

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（責任編輯：xu）

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