东华大学研发自下而上的湿纺-电纺联用构筑传感储能一体化智能纤维

中研股份2018年7月19日讯  近日,东华大学材料学院及纤维材料改性国家重点实验室朱美芳教授课题组杨升元副教授(通讯作者)联合新加坡国立大学(NUS)、德国莱布尼兹高分子研究所(IPF)在Journal of Materials Chemistry A(最新影响因子9.93)上发表最新研究成果“A Bottom-Up Approach to Design Wearable and Stretchable Smart Fibers with Organic Vapor Sensing Behaviors and Energy Storage Properties”,并获选为当期封底,第一作者为东华大学国际文化交流学院硕士留学生Ifra Marriam(来自巴基斯坦)和材料学院王兴平博士(现工作于霍尼韦尔上海公司)。

近年来,随着柔性可穿戴式电子产品的快速发展,柔性传感器和柔性储能元件引起了广泛的关注。柔性传感器和柔性储能元件作为可穿戴电子设备的重要组成部分,在人体运动检测、个性化健康监测以及智能人机交互等领域有着巨大的应用前景。其中,柔性传感器应兼具高灵敏性、宽检测范围、高柔性和高稳定性,而柔性储能元件应具有优异的电化学性能、良好的机械柔性等。迄今为止,制备这些理想的柔性器件仍是一个不小的挑战。通过对材料进行甄选并采用新的制备技术和设计思路有望获得综合性能优异的柔性器件。导电高分子复合纤维基柔性器件因其柔韧性好、质量轻、可折叠弯曲、可编织、成本低以及比表面积大等特点已成为柔性器件研究的重要方向之一。然而,采用传统纺丝法所制备的导电高分子复合纤维往往具有较低的电导率,难以同时用于传感器领域和储能领域。如何通过简单的、低成本的、可连续的方法制备兼具传感和储能功能的纤维基柔性器件,仍是亟需解决的问题。

在该文中,作者从复合材料的可纺性、力学性能和功能性等角度考虑,采用聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(poly(styrene-butadiene-styrene),SBS)作为柔性高聚物基材,以多层石墨烯(Few layer graphene,FLG)作为导电组分,通过湿法纺丝制备了一系列柔性SBS导电复合纤维,系统地研究了柔性SBS导电复合纤维结构与传感性能的内在关系,实现了复合纤维高柔性和高性能的有机统一。此外,在柔性SBS导电复合纤维的基础上,课题组通过静电纺丝自组装法,将电活性炭黑(Electroactive Carbon Black, CB)涂覆到SBS导电复合纤维的表面,从而制得了一系列自支撑的柔性一维纱线电极(Nanofibers Coated Yarns, NCY),并组装成了全固态超级电容器,系统地研究了其电化学性能,实现了其在可穿戴储能元件中的应用。

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图1 “自下而上”的湿纺-电纺联用制备流程示意图

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图2 柔性SBS-G复合纤维对于不同溶剂蒸汽的传感性能表征

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图3 柔性SBS-7G, SBS-7G@CB和SBS-7G NCY电极的电化学性能表征

总而言之,研究者结合之前湿纺复合纤维传感器(Composites Part A, 2018, 105, 291–299;Sensors and Actuators B, 2018, 256, 896–904)及电纺涂覆纳米纤维纱线工艺(ACS Appl. Energy Mater., 2018, 1, 377-386 (Front Cover);J. Power Sources, 2018, 396, 683-690)通过自下而上的湿纺-电纺联用,成功设计了一种宏(湿纺宏观纤维)微(电纺纳米纤维)结合兼具传感和储能功能的智能纤维,有望在可穿戴器件上得到进一步应用。

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Shengyuan Yang, Meifang Zhu et al., J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 13633. (当期封底)

该项工作得到了上海市晨光计划、上海市科技创新行动计划、国家自然科学基金、科技部重点专项和教育部创新团队的资助。

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