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Nano Res.[单元]│山东大学王桂龙课题组:原位成纤工艺制备用于高效摩擦纳米发电机的强韧、透气、耐腐蚀PTFE纳米纤维膜

本篇文章版权为王桂龙课题组所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


可穿戴电子设备的迅猛发展已经引领人类进入了一个智能世界的新时代,摩擦纳米发电机(TENG)能够收集各种动能转化为电能,具有灵活性、轻量化设计、低成本以及在低频率下高电输出等多种优势,在可穿戴电子及智能传感领域应用广泛。TENG的基本工作原理是利用两种摩擦电材料之间的界面极化和静电感应产生的电势差,所以为了实现较高输出性能,选择具有高电荷密度的摩擦电材料至关重要。另一方面,通过在摩擦电材料表面构建具有一定粗糙度的微纳结构,提高摩擦电材料之间的有效接触面积,也可以显著提高TENG的输出性能。目前,在可穿戴电子领域,人们已经开发出多种多样的的摩擦正极材料,但具有高强度、透气性和防护性的摩擦负极材料仍然十分有限。聚四氟乙烯(PTFE)具有强电子亲和性、低摩擦系数、良好的柔韧性,是最广泛使用的摩擦负极材料之一。然而,由于PTFE的加工性能差,几乎不溶于任何溶剂,并且具有极高的熔体粘度,所以无法通过常规的熔融或溶液加工方法生产具有微纳多孔结构的薄膜,难以满足可穿戴电子材料对于耐用性、透气性、防护性的需求。目前,制备PTFE多孔薄膜的主流方法为拉伸法,但是需要高拉伸比以获得高孔隙率,这会导致增大的孔隙,从而导致TENG输出性能的降低。乳液纺丝是制备多孔PTFE薄膜另一思路,可实现高孔隙率。但由于PTFE纤维粗大且稀疏,以及孔径极大,难以实现较高的强度以及电输出性能。为了保证PTFE薄膜的摩擦电输出性能、耐用性及防护性,同时实现高孔隙率以提高其透气性,通过细化PTFE纤维,构建纳米尺度的多孔结构是一种切实可行的思路。


成果简介


该研究提出了一种原位成纤策略制备超细PTFE纳米纤维(NF-PTFE)薄膜的创新工艺,所制备的NF-PTFE薄膜由大量PTFE纳米微纤相互交织成细密的网状纤维结构,巧妙地解决了传统多孔PTFE薄膜高孔隙率和小孔径之间的两难,同时实现了高孔隙率(74%)、小孔径(0.15 μm)、高强度(34 MPa)和模量(251 MPa),并且具有出色的透气性、疏水性和耐腐蚀性。研究表明,得益于其纳米尺度的网络结构,NF-PTFE表面具有丰富的有效接触面积,其输出性能优于传统的实心PTFE和e-PTFE薄膜。该NF-PTFE薄膜可集成于不同种类的TENG设备中,在接触-分离模式下,当普通棉织物作为摩擦正极材料时,所组成的TENG能够实现131 V的峰值开路电压和10.8 μA的短路电流,在约10 MΩ的负载电阻下,最大功率密度可达1.2 W/m2;基于液滴撞击的TENG实现了54 V的峰值开路电压和14 μA的短路电流,可为LED灯珠和电容等各种电子器件提供电能。NF-PTFE薄膜还可用于单电极模式的TENG,用于柔性可穿戴的自供电传感,表明其在智能传感设备的实际应用中具有潜力。基于NF-PTFE的TENG可作为供电单元和自供电传感器,在可穿戴设备及柔性电子设备的应用中呈现出独特优势,有助于低碳社会和智能生活的发展。


图文导读


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图1(a)制备NF-PTFE薄膜的原位成纤方法示意图,(b)NF-PTFE的光学照片,(c)NF-PTFE薄膜的扫描电子显微镜图像,(d)为(c)的放大图像。


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图2(a-c)显示了不同加工温度下NF-PTFE薄膜的扫描电子显微镜图像,(d)不同加工温度下NF-PTFE薄膜的平均纤维直径的信息,(e)不同加工温度下NF-PTFE薄膜的孔隙度,(f)不同加工温度下NF-PTFE薄膜的平均孔隙尺寸的数量信息,(g-i)不同加工温度下NF-PTFE薄膜的三维轮廓和粗糙度。


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图3(a)NF-PTFE薄膜的透气性、防水性和化学耐久性功能的示意图,(b)疏水性的展示,(c)不同加工温度下NF-PTFE薄膜的水接触角,(d)透气性的演示,(e)不同加工温度下NF-PTFE薄膜的水蒸气透过性,(f)NF-PTFE薄膜和e-PTFE薄膜之间水蒸气透过性的比较,(g)机械强度的演示,(h)NF-PTFE薄膜和e-PTFE薄膜的抗拉强度和模量的比较,(i)化学耐久性的演示。


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图4(a)CS-TENG的示意图,(b)不同加工温度下实现的NF-PTFE薄膜,(c)不同加工方法下的不同PTFE薄膜的电输出进行比较,(d)e-PTFE和NF-PTFE薄膜有效接触区域的SEM图像和示意图,(e)使用COMSOL软件模拟带有节点-纤维和纳米纤维结构的PTFE的电势分布,基于NF-PTFE薄膜的(f)不同薄膜厚度、(g)不同配对材料、(h)不同频率以及(i)不同力的CS-TENG短路电流,(j)不同外部负载电阻下制造的CS-TENG的峰值电压和功率密度,(k)连续运行2万个周期开路电压的变化,(l)与其他多孔PTFE薄膜的CS-TENG的输出性能和强度进行比较。


作者简介


王桂龙,山东大学教授/博士生导师,多伦多大学博士后,主要从事聚合物及其复合材料先进成型加工技术研究。入选国家万人计划青年拔尖人才、山东省杰青、山东大学杰出中青年学者/齐鲁青年学者/青年学者未来计划;担任《Journal of Cellular Plastics》顾问编委、《Cellular Polymers》编委、中机生产模具制造与成型技术专委会副主任委员、SAMPE中国大陆总会聚合物发泡与多孔材料专委会副秘书长等;主持国家自然科学基金(3项)、世界自然基金会基金、山东省重大科技创新工程、山东省自然科学基金等科研项目20余项,立项科研经费>5000万元。获国家科技进步二等奖1项、山东省技术发明一等奖1项、山东省科技进步一等奖1项,授权中国发明专利30余项、美国发明专利2项,发表SCI论文150余篇,被引6000余次,H因子47。


文章信息


Chai J, Wang G, Zhao J, et al. Robust, breathable, and chemical-resistant polytetrafluoroethylene (PTFE) films achieved by novel in-situ fibrillation strategy for high-performance triboelectric nanogenerators. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6147-3.



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