可拉伸热电纳米纤维膜的构筑及性能研究

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热电材料是一种环境友好的能源材料,通过材料内部载流子的传输,可以实现热能和电能之间的直接转换,因此热电材料在自供电可穿戴设备领域有较好的的使用。尤其是柔性和可拉伸热电材料,由于它们轻薄、便于携带、与热源表面贴合性好等特点而受到了研究者的广泛关注,有望应用于人工智能、医疗保健、健康监测等领域。其中,纤维/织物基热电材料具有高柔性、高灵活性等特点,并且可以无缝集成到可穿戴设备或服装中同时保持设备的美观性和舒适性。但是目前所报道的大多数柔性可拉伸热电材料的拉伸性能有限,尚不能满足人体关节部位或者皮肤的形变需求。鉴于此,本文进行了以下研究:(1)本文利用静电纺丝技术制备聚氨酯(PU)纳米纤维膜作为弹性基底,通过真空抽滤的方法将导电材料单壁碳纳米管(SWCNTs)/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)与PU纳米纤维膜结合制备了PU/SWCNTs/PEDOT:PSS复合纳米纤维膜,并进行了性能研究。研究结果表明:(1)当PEDOT:PSS/SWCNTs的质量为7:3时,室温下复合纳米纤维膜的电导率最大为10.2 S cm-1,泽贝克系数为34μV K-1,此时的功率因数最大为1.17μW m-1K-2;(2)复合纳米纤维膜具有超300%的断裂伸长率。(3)在拉伸的过程中复合纳米纤维膜表面的PEDOT:PSS/SWCNTs出现了开裂和脱落的现象,表明PEDOT:PSS/SWCNTs与PU纳米纤维膜之间结合力较弱。(2)为了改善PEDOT:PSS/SWCNTs开裂和脱落的现象,选定聚己内酯(PCL)作为粘合剂。利用静电纺丝技术制备PU/PCL复合纳米纤维膜,将PEDOT:PSS/SWCNTs真空抽滤到复合纳米纤维膜上,经过热压熔融后得到了PU/PCL/SWCNTs/PEDOT:PSS复合纳米纤维膜,并进行了性能研究。研究结果表明:(1)在室温下,当PEDOT:PSS/SWCNTs质量比为7:3时,复合纳米纤维膜电导率达到15.81 S cm-1,泽贝克系数为35μV K-1,功率因数最大为1.9μW m-1 K-2;(2)复合纳米纤维膜具有超400%的断裂伸长率,并且PCL作为粘合剂增加了PEDOT:PSS/SWCNTs与PU纳米纤维之间的界面结合力;(3)复合纳米纤维膜能够准确识别人体(诸如手指、手腕、肩关节等)的动作变化并产生电阻响应信号,表明其具有较好的应变传感能力。(3)为了进一步提高复合纳米纤维膜的热电性能,选择PVP作为分散剂和界面粘合剂,利用静电纺丝技术结合喷涂工艺制备了具有良好透气性和可拉伸性的PU/SWCNTs/PVP复合纳米纤维膜,并进行了性能研究。研究结果表明:(1)在室温下,当SWCNTs/PVP质量比为7:3时复合纳米纤维膜电导率达到20 S cm-1,泽贝克系数为51μV K-1,功率因数最大为5.2μW m-1 K-2;(2)复合纳米纤维膜具有超250%的断裂伸长率并且具有良好的柔性、剪裁性等;(3)基于复合纳米纤维膜的热电器件的最大输出功率为586 p W。此外,热电器件能够检测到的最小温差为0.25 K,并且可以在0.5 s内对拉伸应变产生输出电压响应信号,表明该器件具有作为自供电应变/温度传感器的潜力。
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