电纺纳米纤维在湿敏变色传感器及压电-热释电纳米发电领域的应用

摘要

纳米技术是当今世界最为关注的前沿技术，是世界各国争相发展的战略级技术。纳米材料因具有不同于常规材料的独特性质而成为高性能材料领域的研究热门。静电纺丝技术作为一种成本低廉、工艺简单、可以连续规模化生产纳米纤维的方法而受到广泛地关注。电纺纳米纤维在传感器、生物医学、能源环境等领域展示出了巨大的应用潜力。本论文的主要研究内容包含两部分，包括电纺纳米纤维作为湿度传感器和纳米发电机。 首先介绍了基于电纺聚酰胺66/氯化钴纳米纤维膜的湿敏变色传感器。基于电纺纳米纤维膜的湿度传感器由于其较大的比表面积，为分析物与敏感材料相互作用提供了更多的位点而表现出灵敏度高，响应速度快等优点。基于电纺湿敏材料的湿敏性能可以通过精密仪器检测，但这在实际应用中有不小的条件的限制。对此，这种可以根据环境湿度而显示不同颜色的电纺纤维膜湿度指示计被提出。实验中制备了一系列含有不同质量百分比氯化钴的聚酰胺66纳米纤维膜，并研究了其根据湿度变色的特性。此外，还将这种湿敏膜与石英晶体微天平（QCM）结合做成高灵敏度湿度传感器，该QCM湿度传感器显示出了高湿度敏感性，快速的响应–恢复特性，小的滞后性以及较好的可重复性和稳定性。表明这种聚酰胺66/氯化钴纳米纤维膜在湿度探测领域具有潜在的应用性。 另外，我们主要介绍了纳米发电机的概况，发现基于电纺聚偏氟乙烯（PVDF）的纳米发电机都只关注了PVDF的压电性而忽视了其热释电性。因此，发展了一种基于电纺PVDF的柔性压电–热释电混合纳米发电机。为了增强器件的柔性，采用电纺纤维膜作为衬底，电纺导电纤维膜和碳纳米管层作为电极。实验中证明了该纳米发电机转化机械能和热能的能力。通过按压和弯曲可以有效的激发该纳米发电机的压电输出。此外通过同时施加应力和热梯度测试了压电–热释电混合输出。基于这种柔性结构，这个纳米发电机还可以转化人体运动和气流中的能量。此外，该纳米发电机还显示出了机械耐久性，牢固性以及为电容充电的实用性。结果表明，这种柔性的压电–热释电混合纳米发电机具有作为自发电电子纺织品的潜在应用。

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