关键词:
静电纺丝
PAN
压电纳米纤维膜
智能可穿戴纺织品
摘要:
随着柔性电子和智能穿戴技术的快速发展,高性能压电传感器的需求日益增长。传统压电材料(如压电陶瓷)存在脆性大、柔韧性差等问题,而聚合物基压电材料因其轻质、可弯曲等优势成为研究热点。本课题采用一步静电纺丝技术制备聚丙烯腈(PAN)基压电纤维膜,基于界面聚合技术,通过掺杂表面改性的钛酸钡和二维MXene纳米片,显著提升其压电输出性能。此外,通过镀银纤维针织电极设计,进一步改善了传感器的柔韧性和透气性,为可穿戴电子设备提供了新的解决方案。主要研究内容如下:
采用硅烷偶联剂KH550对钛酸钡(BTO)进行表面改性,制备得到改性钛酸钡(K-BTO),随后通过一步静电纺丝技术将不同掺杂浓度的K-BTO与聚丙烯腈(PAN)复合,制备PAN/K-BTO纤维膜,并系统研究了K-BTO掺杂浓度对PAN基纤维膜性能的影响。实验表明,当K-BTO含量为15 wt%时,PAN/K-BTO压电传感器表现出最优的压电输出性能,其输出电压和电流分别达到12.33V和4.93μA,较纯PAN传感器电压提升了1.5倍。此外,该传感器具高灵敏度(1.63 V/N),在不同冲击力条件下均能保持稳定的响应特性。长期循环测试(2000次冲击/释放)证实了其优异的稳定性和耐久性。
为进一步提升压电性能,采用超声剥离法制备单层/少层MXene纳米片,并将其引入PAN/K-BTO体系,构建MXene/PAN/K-BTO压电纤维膜。通过调控MXene掺杂浓度,系统考察了其对纤维形貌、分子构象、力学性能及压电输出的影响。在MXene掺杂浓度为2 wt%时,拉伸强度达到最大值12.3 MPa,显示出优异的拉伸性能。同时,输出电压和电流可达27.05 V和13.06μA,与PAN/K-BTO传感器相比提高了1.2倍。MXene的二维层状结构不仅提高了电荷传输效率,还通过增强界面极化作用进一步优化了压电响应,使传感器性能得到显著提升。
为解决传统传感器结构舒适性差、透气性不足等问题,设计并编织了不同成分的镀银纤维针织布作为电极。同时提出了一种全纺织柔性压电传感器的创新设计:以MXene/PAN/K-BTO纳米纤维膜为压电层,镀银纤维针织织物为柔性电极层,低敏性弹性绷带为保护封层。通过优化针织电极的微观形貌和导电性能,该传感器在保持高柔韧性的同时,展现出高透气性和优异的电输出性能,显著提高了其穿戴舒适性,为可穿戴电子设备的实际应用提供了新思路。