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，往往會承受較高的局部應(yīng)力，造成磨損，進而導(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，在細度、長徑比、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)，通過控制靜電場，應(yīng)力場和速度場，在可拉伸導(dǎo)電紗線表面連續(xù)紡制了費馬螺旋結(jié)構(gòu)氟碳聚合物P(VDF-TrFE)納米纖維，構(gòu)建了動態(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。

圖1（a）費馬螺旋摩擦電紗線的連續(xù)化紡織流程；（b）費馬螺旋納米纖維結(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物照片

特殊的費馬螺旋結(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次馬丁代爾標準耐磨循環(huán)后，紗線幾乎沒有發(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)級的紡織器械，可進行大面積的編織。

圖2 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(tǒng)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(yè)級設(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。

圖3 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(xiàn)了無線手勢識別、水滴發(fā)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 費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)實時捕捉；（b）觸覺傳感；（c）單根紗線用于水滴發(fā)電；（d）用于智能屏幕顯示。

近年來，課題組在該領(lǐng)域取得了一系列研究成果：利用工業(yè)級的紡絲設(shè)備實現(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)計原則，開發(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)；耦合毛細效應(yīng)，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(xué)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://doi.org/10.1002/adma.202100782

來源：東華大學(xué)