提高压电实际上电纺聚合物纳米纤维的可穿戴电子产品

一组研究人员最近在《华尔街日报》发表了一篇论文高分子材料与工程亚博网站下载,回顾了最新发展改善压电实际上电纺聚合物纳米纤维的可穿戴电子产品。

研究:回顾可穿戴实际上电纺聚合物压电传感器和能量收割机。图片来源:Kateryna今敏/ Shutterstock.com

背景

近年来,可穿戴的能量采集器和传感器获得了大量关注几个应用程序,包括人机接口、机器人和个性化医疗。

压电材料是使用最广泛的可穿戴亚博网站下载电子产品由于其独特的能力从周围获取能量的来源。在可穿戴传感器,这些材料也可以被用作传感元素。亚博网站下载

一些研究调查的可行性可穿戴电子产品的使用实际上电纺压电聚合物纳米纤维由于其生物相容性,易于加工、高灵活性、高压电属性相比,相应的电影。

然而,这些纳米纤维显示较低的压电系数相比,压电陶瓷材料。亚博网站下载最近,明显已经努力改善实际上电纺的压电聚合物纳米纤维。

在本文中,作者回顾了新策略,结构设计和材料采用提高实际上电纺的压电聚合物纳米纤维实现高性能实际上电纺聚合物nanofiber-based压电能量采集器和传感器可亚博网站下载穿戴技术。

压电聚合物

聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物如PVDF均聚物、聚(亚乙烯基fluoride-trifluoroethylene) (PVDF-TrFE)聚合物和聚(亚乙烯基fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP)聚合物,聚丙烯腈(PAN),纤维素和聚乳酸(PLA)通常用于制造实际上电纺nanofiber-based压电可穿戴设备。

其中压电聚合物PVDF及其共聚物具有压电最高。尽管PVDF-TrFE大比PVDF压电,PVDF相比它更昂贵。然而,出现在其他聚合物PVDF缺乏某些独特的属性。例如,锅可以在高温下使用由于其较高的热稳定性和PVDF相比,而解放军和纤维素更环保。

策略增强实际上电纺聚合物纳米纤维的压电性能

共混聚合物/聚合物纳米复合材料的设计

添加剂的使用,如聚合物、non-piezoelectric填料、和压电聚合物压电填料可以修改他们的方向,分子偶极子,晶体结构和影响其压电性能通过影响他们的电气和机械性能。

压电填料

可穿戴式压电纳米纤维垫具有高压电通过集成与各种压电聚合物压电陶瓷制作的。氮化硼(BN),氧化锌(氧化锌)和钛酸钡(BaTiO₃)在不同的形式,如纳米线、nanosheets,纳米纤维,nanoflakes,纳米棒(NRs)和纳米粒子,可以结合压电聚合物合成柔性压电设备。yabo214

例如,使用BaTiO潘的压电纳米纤维得到了改进₃纳米粒子通yabo214过促进3¹螺旋转换到平面曲折。同样,单层BN改善PVDF压电的由于其强大的平面压电特性。

氧化锌团簇增加了PVDF纳米纤维压电通过增加结晶度程度和β-phase PVDF的内容。PVDF样本与五wt %氧化锌显示最高的11 V开路电压。

表面功能化nanofillers也有效地提高了压电通过促进PVDF之间的强相互作用和nanofillers和更好的分散。例如,使用五wt %碳涂层氧化锌PVDF输出电压增加了五倍近37 V相比纯PVDF。

Non-piezoelectric填料

导电纳米材料、磁性材料等MXenes,金属纳米材料如金纳亚博网站下载米粒子,和多壁碳纳米管等碳基纳米材料(热合)可以用来改善压电陶瓷的压电聚合物。yabo214

这些导电nanofillers提高感应电荷转移和提高压电聚合物的β-phase内容提高压电输出。例如,使用热合PVDF-TrFE极地β-phase内容和结晶度的增加纳米纤维,导致更高的压电输出。的最大开路电压18.23 V在静电纺丝PVDF-TrFE三wt %热合。

聚合物共混

添加另一个聚合物也可以改善力学和压电特性的压电聚合物纳米纤维。例如,添加弹性热塑性聚氨酯(TPU)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物的电纺的PVDF解决方案增加了PVDF的拉伸性和弹性。的最大破坏应变PVDF / TPU 1:3比例为85%比12.5%纯PVDF。

结构设计

结构工程的fibrous-based传感器和王中林教授可以提高其压电性能。

涂层纳米纤维

Nanoparticle-coated聚合物纳米纤维垫通常证明更高的压电输出。例如,一个明显高于245.63西北厘米的输出²实现了PVDF纳米纤维毡时电喷射与氧化锌NRs代替分散氧化锌NRs PVDF溶液电纺的纤维。

同轴纳米纤维

同轴电纺可以制造一个广泛范围的纳米纤维与更好的压电和机械性能core-sheath配置通过结合不同的补充材料。亚博网站下载

核壳nanofibrous配置适用于聚合物,如PDMS和聚(材料间是的运动)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT: PSS),不能轻易实际上电纺。

与同轴展示更高的聚合物核壳结构聚合物密度和β-phase内容。例如,核壳纳米纤维组成的PEDOT: PSS核心和PVDF-TrFE壳牌在4:1的比例显示8.76 V输出电压,这几乎是10倍高于纯PVDF-TrFE纳米纤维。

其他层次的设计

最近,一个独特的设计开发,实际上电纺纳米纤维毡是成双成对的成纱结构,可以与纺织品可穿戴电子产品集成。

同样,小说结构纱组成的导电芯与包PVDF纳米纤维,先后与PVDF涂层和银层显示μW平均峰值电压0.52 V和5.54厘米⁻³功率密度在0.02 MPa下循环压缩。峰值电压和功率密度值大大高于只PVDF纳米纤维的纱线生产。

参数影响实际上电纺纳米纤维的特性

环境参数,溶液参数和电纺参数主要影响实际上电纺聚合物纳米纤维特性,包括压电、β-phase形成和形态。

环境参数包括温度和相对湿度,而解决方案参数包括聚合物的分子量、溶液浓度和溶剂。电纺的参数包括收集器类型、电压提示收集器,之间的距离和饲料率。

结论

技术已经取得了重大进展的发展高性能和增强压电柔性压电聚合物纳米纤维。然而,还需要更多的研究来进一步提高压电输出的压电聚合物使用新方法。

必须识别新方法将填料在压电聚合物最大化压电输出和力学性能的改善。另外,柔性压电设备的挑战与发展,压电传感器的使用可穿戴的衣服和配件也必须解决实现大规模采用实际上电纺聚合物纳米纤维的可穿戴电子产品。

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参考

彭,S。、黄。吴,S。等。回顾可穿戴实际上电纺聚合物压电传感器和能量收割机。高分子材料与工程亚博网站下载2022年。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mame.202200442

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