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西安工程大学樊威教授团队《Nano Energy》:一种可规模化制备的纳微结构高耐久性摩擦纳米发电纱线
2022-09-08  来源:高分子科技

  摩擦发电机(TENGs)作为一种能源和自驱动传感器在近些年受到广泛关注。其中,基于纤维的摩擦发电机(TENGs)由于其灵活、轻便的特性,在能量收集和人体动作传感方面具有较大优势。然而,目前报道的纤维基TENGs主要集中提高其功率方面,在其实用性(舒适性、耐久性)和规模化制备还有诸多问题需要解决。因此,现有的纤维基TENGs目前还主要停留在实验室阶段。


  樊威教授团队致力于基于服装人体工效学的智能可穿戴纺织品的创新设计与制备解决智能可穿戴产品穿着舒适性和稳定性差的问题。本工作团队设计并制备了一种纳微结构摩擦发电纱线NMSY,通过结合共轭静电纺和环锭纺纱工艺(如图1),实现大规模生产,并验证了用于人体收集机械能和运动传感的潜力。如图2所示,通过共轭静电纺在铜丝表面包覆一层PA/ZnO纳米纤维得到纳米包覆纱(NESY),然后将疏水涤纶纤维通过环锭纺工艺包覆在NESY上得到NMSY。同时通过环锭纺工艺制备微米结构摩擦发电纱线PRSY,并对NESYPRSYNMSY的电输出性能进行了对比研究(如图3),结果表明NMSY的输出性能高于NESYPRSY,这归功于静电纺PA/ZnO纳米纤维作为中间层以提高电输出性能。PA11/ZnO中间层作为捕获位点,可以捕获自由电荷,不会被相反的电荷中和,如图2a (iii)所示,它可以更好地存储电荷,减少空气中的电荷损失和电极的中和。


1 NMSY制备


2 PRSYNESYNMSY的制备及NMSY的形貌


3 NESYPRSYNMSY电性能输出及NMSY的工作原理和电荷转移机制


  如图4所示,首先,对NESYPRSYNMSY进行了力学性能和耐磨性测试,NMSY力学性能和耐磨性都高于NESYPRSY,这归结于NMSY特殊的结构和工艺。NMSY的抗拉强度为70.1 MPa,拉伸应变为20%PRSYNESY分别为64.3 MPa/16%1.3 MPa/7.8%NMSY在单纱耐磨仪测试下耐磨次数可以达到4500次,PRSYNESY耐磨次数只有3000次和550次。此外,NMSY具有良好耐洗性能,在10次机洗后电压不变。NMSY优异的疏水性能,在水滴滴落到纱线表面,0.4 s即可滚落,并在水滴滴落后电流输出不变。


4 NMSY的机械性能、耐磨、耐洗和防水性能


  将NMSY与普通棉纱相嵌在针织机进行织造,如图5所示。所得织物进行透气和透湿性能测试,可以看出,电子织物的透气性和透湿性均介于棉织物、涤纶织物、牛仔织物之间,具有优异的可穿戴舒适性,可作为长期穿戴的电子产品。


5 NMSY电子织物与不同普通面料的透气性及透湿性


  如图6所示,单电极电子织物在2-4 Hz下接触分离的电性能输出,在负载700 MΩ下功率密度可以达到487.8 mW/m2。电子织物可以点亮22“XPU”LED灯并可以给商用电容器充电。


6 NMSY电子织物电性能输出


  NMSY及其织物在实际应用中表现出色。在检测人体关节运动方面,可以检测微小运动,具有较高的精度。并可以作为摩尔斯电码编程应用。如图7所示。


7 NMSY和电子织物作为自供电传感器应用展示


  综上所述,NMSY具有较高的摩擦电性能输出和耐磨性,可以和各自商用纱线进行混合织造,制备出具有优异舒适性能电子纺织品,对人体运动检测和机械能收集。此项工作为摩擦纳米发电纱线的设计和规模化制备提供新的方法,并促进智能电子与纺织相结合的工程应用,对未来摩擦电纱线商业化发展具有一定意义。


  该工作以研究论文形式发表在纳米科技领域TOP期刊Nano Energy上(中科院大类一区,IF=19.069)。第一作者为西安工程大学樊威教授团队硕士研究生陈炜纯,共同第一作者王琪副教授,通讯作者为樊威教授,合作者包括英国曼彻斯特大学李翼教授,西安工程大学硕士研究生于希晨、罗宇、王维婷和雷睿心。该研究得到国家自然科学基金面上项目、纺织之光基础研究项目、咸阳市科学技术局重点研发计划、西安市科学技术局重大科技成果就地转化资助项目的资助。


  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107769

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(责任编辑:xu)
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