東華大學(xué)Advanced Materials：防水耐磨可拉伸摩擦電紗線
2021-05-26 11:19:54
作者：材料人 來(lái)源：材料人
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隨著可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展，基于摩擦電技術(shù)的新型纖維電子器件在機(jī)械能收集和自驅(qū)動(dòng)傳感方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。東華大學(xué)先進(jìn)功能材料課題組近年來(lái)在該領(lǐng)域取得了一系列研究成果：利用工業(yè)級(jí)的紡絲設(shè)備實(shí)現(xiàn)可拉伸兩棲能源紗線的連續(xù)化與規(guī)模化生產(chǎn)（Nature Communications, 2019, 10, 868）；以“全纖維”為設(shè)計(jì)原則，開(kāi)發(fā)了具有濕熱穩(wěn)定性和舒適性的摩擦/鐵電協(xié)同電子織物（Nature communications, 2019, 10, 5541）；耦合毛細(xì)效應(yīng)，制造了新型鐵電增強(qiáng)型摩擦電吸濕快干紡織品（Advanced Materials, 2021, 33, 2007352）。
近日，先進(jìn)功能材料課題組在摩擦電纖維電子領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以《基于費(fèi)馬螺旋的防水耐磨可拉伸摩擦電紗線》（“Abrasion Resistant/Waterproof Stretchable Triboelectric
Yarns Based on Fermat Spirals”， https://doi.org/10.1002/adma.202100782）為題發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。東華大學(xué)為論文唯一完成單位，材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生張德偉和長(zhǎng)學(xué)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(gòu)筑高比表面積的納米結(jié)構(gòu)是提高摩擦電紗線電學(xué)輸出和傳感信噪比的有效手段。然而，當(dāng)納米結(jié)構(gòu)與其他材料接觸摩擦?xí)r，往往會(huì)承受較高的局部應(yīng)力，造成磨損，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦電紗線的電學(xué)性能下降。此外，現(xiàn)有的摩擦電紗線與商業(yè)紗線產(chǎn)品相比，在細(xì)度、長(zhǎng)徑比、連續(xù)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(shù)，通過(guò)控制靜電場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)，在可拉伸導(dǎo)電紗線表面連續(xù)紡制了費(fèi)馬螺旋結(jié)構(gòu)氟碳聚合物P（VDF-TrFE）納米纖維，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的摩擦電紗線。這種摩擦電紗線具有超高的耐磨性，穩(wěn)定的可逆應(yīng)變和出色的電學(xué)性能，在低頻外力作用下可產(chǎn)生105 V, ~1.2 μA的電能輸出。
（a）費(fèi)馬螺旋摩擦電紗線的連續(xù)化紡織流程；（b）費(fèi)馬螺旋納米纖維結(jié)構(gòu)的模型；（c）紗線電極和摩擦電紗線在不同制備階段的實(shí)物照片
特殊的費(fèi)馬螺旋結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)耐磨循環(huán)后，紗線幾乎沒(méi)有發(fā)生質(zhì)量損失和電學(xué)性能衰減。穩(wěn)定的表面納米結(jié)構(gòu)使摩擦電紗線適用于工業(yè)級(jí)的紡織器械，可進(jìn)行大面積的編織。
費(fèi)馬螺旋摩擦電紡織品的超高耐磨性。（a）標(biāo)準(zhǔn)馬丁代爾測(cè)試示意圖；（b）費(fèi)馬螺旋摩擦電紗線滑動(dòng)時(shí)受力分析圖；（c, d）傳統(tǒng)靜電紡絲薄膜和新型納米紗線織物的耐磨性對(duì)比。
此外，費(fèi)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(yè)級(jí)設(shè)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(fèi)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(cè)試；（c）費(fèi)馬螺旋摩擦電紡織品的實(shí)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(shí)現(xiàn)了無(wú)線手勢(shì)識(shí)別、水滴發(fā)電、智能屏幕顯示等多種功能。這種基于費(fèi)馬螺旋的摩擦電紗線在自供電傳感器和人機(jī)界面領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
費(fèi)馬螺旋摩擦電紗線及織物在智能穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用。（a）手部姿態(tài)實(shí)時(shí)捕捉；（b）觸覺(jué)傳感；（c）單根紗線用于水滴發(fā)電；（d）用于智能屏幕顯示。
單根紗線水滴發(fā)電，并驅(qū)動(dòng)電子器件
單根紗線的觸覺(jué)傳感
電子織物用于智能屏幕顯示
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃青年項(xiàng)目、上海市青年科技啟明星計(jì)劃等基金的資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100782
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標(biāo)簽： 東華大學(xué), 電紗線, 摩擦電技術(shù)
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