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我校研究團隊在摩擦電纖維和紡織品領域取得新進展

隨著可穿戴設備的快速發展,基于摩擦電技術的新型纖維電子器件在機械能收集和自驅動傳感方面展現了廣闊的應用前景。近日,東華大學先進功能材料課題組在摩擦電纖維電子領域取得新進展,相關研究成果以《基于費馬螺旋納米纖維的防水耐磨可拉伸摩擦電紗線》(“Abrasion/water-proof stretchable triboelectric yarns based on Fermat spirals”, https://doi.org/10.1002/adma.202100782)為題發表于國際知名學術期刊《先進材料》(Advanced Materials)。東華大學為論文唯一完成單位,材料科學與工程學院碩士研究生張德偉、長學制博士研究生楊偉峰為共同第一作者,侯成義副研究員、張青紅研究員為共同通訊作者。

構筑高比表面積的納米結構是提高摩擦電紗線電學輸出和傳感信噪比的有效手段。然而,當納米結構與其他材料接觸摩擦時,往往會承受較高的局部應力,造成磨損,進而導致摩擦電紗線的電學性能下降。此外,現有的摩擦電紗線與商業紗線產品相比,在細度、長徑比、連續化制備、可編織性等方面仍有很大差距。

在本工作中,研究人員利用靜電紡絲技術,通過控制靜電場,應力場和速度場,在可拉伸導電紗線表面連續紡制了費馬螺旋結構氟碳聚合物P(VDF-TrFE)納米纖維,構建了動態穩定的摩擦電紗線。這種摩擦電紗線具有超高的耐磨性,穩定的可逆應變和出色的電學性能,在低頻外力作用下可產生105 V, ~1.2 μA的電能輸出。

(a)費馬螺旋摩擦電紗線的連續化紡織流程;(b)費馬螺旋納米纖維結構的模型;(c)紗線電極和摩擦電紗線在不同制備階段的實物照片

特殊的費馬螺旋結構顯著提升了納米纖維間的抱合力,使摩擦電紗線具有超高的耐磨性。在5000次馬丁代爾標準耐磨循環后,紗線幾乎沒有發生質量損失和電學性能衰減。穩定的表面納米結構使摩擦電紗線適用于工業級的紡織器械,可進行大面積的編織。

費馬螺旋摩擦電紡織品的超高耐磨性。(a)標準馬丁代爾測試示意圖;(b)費馬螺旋摩擦電紗線滑動時受力分析圖;(c, d)傳統靜電紡絲薄膜和新型納米紗線織物的耐磨性對比。

此外,費馬螺旋納米摩擦電紗線具有疏水表面,水滴/汗液能在其表面迅速滾落。利用工業級設備將這種摩擦電紗線編織可得到具有高耐磨性、防水性以及透氣性的摩擦電織物。

 

費馬螺旋摩擦電紡織品的防水性。(a)水滴在紗線表面迅速滾落;(b)紗線表面的接觸角測試;(c)費馬螺旋摩擦電紡織品的實物照片;(d)紡織品的防水透氣示意圖。

利用上述摩擦電紗線和紡織品,實現了無線手勢識別、水滴發電、智能屏幕顯示等多種功能。這種基于費馬螺旋的摩擦電紗線在自供電傳感器和人機界面領域具有廣闊的應用前景。

費馬螺旋摩擦電紗線及織物在智能穿戴領域的應用。(a)手部姿態實時捕捉;(b)觸覺傳感;(c)單根紗線用于水滴發電;(d)用于智能屏幕顯示。

近年來,課題組在該領域取得了一系列研究成果:利用工業級的紡絲設備實現可拉伸兩棲能源紗線的連續化與規?;a(Nature Communications, 2019, 10, 868);以“全纖維”為設計原則,開發了具有濕熱穩定性和舒適性的摩擦/鐵電協同電子織物(Nature communications, 2019, 10, 5541);耦合毛細效應,制造了新型鐵電增強型摩擦電吸濕快干紡織品(Advanced Materials, 2021, 33, 2007352)。

該研究工作得到了國家自然科學基金、國家高層次人才特殊支持計劃青年項目、上海市青年科技啟明星計劃等基金的資助。

論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100782

撰寫:張德偉、楊偉峰

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