我校研究团队在摩擦电纤维和纺织品领域取得新进展

随着可穿戴设备的快速发展,基于摩擦电技术的新型纤维电子器件在机械能收集和自驱动传感方面展现了广阔的应用前景。近日,东华大学先进功能材料课题组在摩擦电纤维电子领域取得新进展,相关研究成果以《基于费马螺旋纳米纤维的防水耐磨可拉伸摩擦电纱线》(“Abrasion/water-proof stretchable triboelectric yarns based on Fermat spirals”, https://doi.org/10.1002/adma.202100782)为题发表于国际知名学术期刊《先进材料》(Advanced Materials)。东华大学为论文唯一完成单位,材料科学与工程学院硕士研究生张德伟、长学制博士研究生杨伟峰为共同第一作者,侯成义副研究员、张青红研究员为共同通讯作者。

构筑高比表面积的纳米结构是提高摩擦电纱线电学输出和传感信噪比的有效手段。然而,当纳米结构与其他材料接触摩擦时,往往会承受较高的局部应力,造成磨损,进而导致摩擦电纱线的电学性能下降。此外,现有的摩擦电纱线与商业纱线产品相比,在细度、长径比、连续化制备、可编织性等方面仍有很大差距。

在本工作中,研究人员利用静电纺丝技术,通过控制静电场,应力场和速度场,在可拉伸导电纱线表面连续纺制了费马螺旋结构氟碳聚合物P(VDF-TrFE)纳米纤维,构建了动态稳定的摩擦电纱线。这种摩擦电纱线具有超高的耐磨性,稳定的可逆应变和出色的电学性能,在低频外力作用下可产生105 V, ~1.2 μA的电能输出。

(a)费马螺旋摩擦电纱线的连续化纺织流程;(b)费马螺旋纳米纤维结构的模型;(c)纱线电极和摩擦电纱线在不同制备阶段的实物照片

特殊的费马螺旋结构显著提升了纳米纤维间的抱合力,使摩擦电纱线具有超高的耐磨性。在5000次马丁代尔标准耐磨循环后,纱线几乎没有发生质量损失和电学性能衰减。稳定的表面纳米结构使摩擦电纱线适用于工业级的纺织器械,可进行大面积的编织。

费马螺旋摩擦电纺织品的超高耐磨性。(a)标准马丁代尔测试示意图;(b)费马螺旋摩擦电纱线滑动时受力分析图;(c, d)传统静电纺丝薄膜和新型纳米纱线织物的耐磨性对比。

此外,费马螺旋纳米摩擦电纱线具有疏水表面,水滴/汗液能在其表面迅速滚落。利用工业级设备将这种摩擦电纱线编织可得到具有高耐磨性、防水性以及透气性的摩擦电织物。

 

费马螺旋摩擦电纺织品的防水性。(a)水滴在纱线表面迅速滚落;(b)纱线表面的接触角测试;(c)费马螺旋摩擦电纺织品的实物照片;(d)纺织品的防水透气示意图。

利用上述摩擦电纱线和纺织品,实现了无线手势识别、水滴发电、智能屏幕显示等多种功能。这种基于费马螺旋的摩擦电纱线在自供电传感器和人机界面领域具有广阔的应用前景。

费马螺旋摩擦电纱线及织物在智能穿戴领域的应用。(a)手部姿态实时捕捉;(b)触觉传感;(c)单根纱线用于水滴发电;(d)用于智能屏幕显示。

近年来,课题组在该领域取得了一系列研究成果:利用工业级的纺丝设备实现可拉伸两栖能源纱线的连续化与规模化生产(Nature Communications, 2019, 10, 868);以“全纤维”为设计原则,开发了具有湿热稳定性和舒适性的摩擦/铁电协同电子织物(Nature communications, 2019, 10, 5541);耦合毛细效应,制造了新型铁电增强型摩擦电吸湿快干纺织品(Advanced Materials, 2021, 33, 2007352)。

该研究工作得到了国家自然科学基金、国家高层次人才特殊支持计划青年项目、上海市青年科技启明星计划等基金的资助。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100782

撰写:张德伟、杨伟峰