东华大学覃小红教授、纳米能源所蒲雄研究员 Nano Energy：连续制备纳/微取向纤维基防水透湿、耐磨可水洗织物摩擦纳米发电机
2022-10-20 来源：高分子科技
电子纺织品已经发展成为一种集多功能于一体的柔性电子平台，但由于传统工艺制备的纺织基电子面料的比表面积小，电荷密度低，而对其进行二次加工，往往会破坏面料自身的性能（如：柔软性、透气性、透湿性等舒适性能）。因此开发一种制备工艺简便、舒适性能优异的纺织基自供电式电子设备尤为重要。
近日，东华大学覃小红教授课题组与中科院纳米能源所蒲雄研究员团队合作，连续制备了一种纳/微包芯纱基防水透湿织物摩擦纳米发电机，用于能量收集、自供电湿度监测以及压力传感系统。该工作采用共轭静电纺纱技术连续制备轴向排列的纳/微包芯纱（CSYs），一步成型，其中Ag/nylon纱作为导电芯纱，PCL和表面改性的PVDF纳米纤维包覆在芯纱周围，作为摩擦层材料，皮层纤维呈取向排列，不仅增加了纱线的结构稳定性，而且与芯层的接触面积更大，两者均编织成简易的平纹织物，组合成全纤维基双电极摩擦纳米发电机（CSYF TENGs）。由于皮鞘多级结构和大的比表面积，CSYF TENGs展示出优异的电学性能输出，良好的耐久性和生物力学压力敏感性；此外还具有出色的舒适性（防水、透湿，以及柔软度），耐水洗和耐磨性能。由于纳米纤维皮层具有良好的芯吸作用，CSYF TENGs对湿度极为敏感，其电学性能输出对湿度可达到快速相应及迅速恢复，可以作为理想的自供电湿度传感器。该CSYF TENGs可作为生物能量收集器，自供电微弱力传感器，织物基电子皮肤，展示了其在可穿戴TENGs和自供电电子纺织品中的潜在应用价值。
图1. 单轴取向排列纳/微包芯纱（CSYs）和对应CSYF TENG的制备及形貌示意图。
图2. CSYF TENGs作为自供电湿度传感器的性能展示。
图3. CSYF TENGs作为压力传感器的性能表征以及自供电可穿戴键盘的工作原理。
本文通过简易的共轭静电纺纱技术一步法成功制备了纳米纤维取向排列的纳/微结构包芯纱，编织成织物可组装成双电极摩擦纳米发电机，可用于机械能的收集和转换，其展示出优异的电学输出性能，较高的压力灵敏性，以及灵敏的湿度传感性能。此外，该纳米纤维织物基TENGs不仅具有出色的舒适性，比如：防水透湿性、柔软性、质轻等，而且可耐机洗，以及良好的耐磨性。这种可连续化制备皮芯结构纳米纤维纱线基电子面料，展示了其在摩擦纳米发电领域及自供电电子系统中存在巨大的应用潜力，对其商业化的发展具有一定的意义。
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