西南大学甘霖/黄进团队《Carbohyd. Polym.》：基于柔性极化桥的纤维素纳米晶基多孔压电自供能传感器

2022-09-23 来源：高分子科技

纤维素纳米晶（CNC）作为一种极性的单斜晶体，具有优异的压电开发潜力，进而基于CNC的多孔压电材料可望用于制于轻质便携的自供能器件。然而，CNC的压电性能并不能与常规无机压电陶瓷相媲美，以其为基体的多孔材料可能还面临着极化难题和力学性能不足的瓶颈。首先，CNC基多孔压电材料的韧性强化尤为困难，因为CNC的压电特性主要基于其高度结晶结构，而高结晶度的CNC在被引入多孔材料体系易导致韧性急剧下降。更令人为难的是，多数增韧多孔材料的技术方法会增大CNC的极化难度，导致其压电特性更难以发挥。

针对这些共性问题，西南大学化学化工学院软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室甘霖和黄进团队发展了一种柔性极化桥的策略，如图1所示利用弱极性柔性高分子（PEG）将CNC颗粒交联，并且基于PEG的松弛介电特性实现CNC压电特性的极化诱导，进而通过定向诱导冻干制成了各向异性的压电多孔材料。PEG在该气凝胶中不仅能提高多孔材料的韧性，其极性基团与CNC表面的羟基亦有极好的相容性，因此PEG的松弛介电信号能有效地诱导CNC极化，尤其在定向冻干所形成的取向孔隙中表现更为出色。

图1. CNC/PEG气凝胶制备示意图。

图2展示了定向诱导冻干对CNC/PEG多孔材料的孔隙影响，结果表明更低的冷冻温度会带来取向度更高的孔隙。同时，图3显示更低的冻干温度会降低压电性能，这是由于长径比过大的孔隙会限制多孔材料中PEG的分子运动，进而降低了PEG的介电松弛性能，最终引起压电输出电压下降。尤其值得注意的是， CNC/PEG压电特性是在动应力频率接近PEG松弛频率时达到最佳（如图3c所示），这表明CNC的压电输出与PEG的松弛行为有直接关联。

图2. 纤维素纳米晶基多孔材料的SEM图、孔隙率、比表面积和孔隙尺寸。

图3. 纤维素纳米晶基多孔材料的压电输出电压。

结合图4中CNC/PEG多孔材料的力学行为和介电表征结果，发现过大的长径比将导致CNC颗粒与PEG分子在孔壁中的力学行为受限，进而引起压电输出能力和传感稳定性下降。相反地，适当的孔隙长径比更有助于材料的弹性强化，对材料的力学行为稳定性提升有重要贡献。进而，该材料的力电耦合系数可调控至高达0.69。基于上述性能的支撑，尝试将此多孔材料应用于人体运动监测，发现其能非常灵敏地识别不同部位不同力度的运动模式（如图5所示）。

图4. 纤维素纳米晶基多孔材料的压缩力学行为与机电耦合行为。

图5. 基于纤维素纳米晶基多孔材料的自供能传感器件。

综上可见，西南大学甘霖和黄进团队研究了柔性高分子增韧途径对CNC基多孔压电材料力学、电学及力电耦合性能的影响机制。结果表明，弱极性的PEG在发挥增韧功能的同时，还可通过其介电松弛行为强化CNC的压电输出能力；同时，定向诱导冻干所专门调控形成的取向孔隙，对PEG这一柔性极化桥有进一步促进作用。该CNC基多孔材料的生物相容性已得到初步实验验证，适合用于人体可穿戴设备中的自供能器件，具有对不同人体运动进行灵敏监测的功能。该工作以“Improved piezoelectricity of porous cellulose material via flexible polarization-initiate bridge for self-powered sensor”为题，发表于Carbohydrate Polymers，2022，298，120099（DOI: 10.1016/j.carbpol.2022.120099），受到了国家自然科学基金（51973175）、重庆市英才计划创新创业示范团队及技术创新与应用开发“包干制”项目（CQYC201903243、cstc2021ycjh-bgzxm0307）、重庆市高校创新研究群体（CXQT19008）等多个项目的资助，西南大学化学化工学院毕业硕士研究生李淑芳为该研究工作的第一作者。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861722010049

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（责任编辑：xu）

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