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西南大學(xué)甘霖/黃進(jìn)團(tuán)隊(duì)《Carbohyd. Polym.》：基于柔性極化橋的纖維素納米晶基多孔壓電自供能傳感器
2022-09-23  來源：高分子科技

  纖維素納米晶（CNC）作為一種極性的單斜晶體，具有優(yōu)異的壓電開發(fā)潛力，進(jìn)而基于CNC的多孔壓電材料可望用于制于輕質(zhì)便攜的自供能器件。然而，CNC的壓電性能并不能與常規(guī)無機(jī)壓電陶瓷相媲美，以其為基體的多孔材料可能還面臨著極化難題和力學(xué)性能不足的瓶頸。首先，CNC基多孔壓電材料的韌性強(qiáng)化尤為困難，因?yàn)镃NC的壓電特性主要基于其高度結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而高結(jié)晶度的CNC在被引入多孔材料體系易導(dǎo)致韌性急劇下降。更令人為難的是，多數(shù)增韌多孔材料的技術(shù)方法會增大CNC的極化難度，導(dǎo)致其壓電特性更難以發(fā)揮。


  針對這些共性問題，西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院軟物質(zhì)材料化學(xué)與功能制造重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室甘霖和黃進(jìn)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種柔性極化橋的策略，如圖1所示利用弱極性柔性高分子（PEG）將CNC顆粒交聯(lián)，并且基于PEG的松弛介電特性實(shí)現(xiàn)CNC壓電特性的極化誘導(dǎo)，進(jìn)而通過定向誘導(dǎo)凍干制成了各向異性的壓電多孔材料。PEG在該氣凝膠中不僅能提高多孔材料的韌性，其極性基團(tuán)與CNC表面的羥基亦有極好的相容性，因此PEG的松弛介電信號能有效地誘導(dǎo)CNC極化，尤其在定向凍干所形成的取向孔隙中表現(xiàn)更為出色。 


圖1. CNC/PEG氣凝膠制備示意圖。


  圖2展示了定向誘導(dǎo)凍干對CNC/PEG多孔材料的孔隙影響，結(jié)果表明更低的冷凍溫度會帶來取向度更高的孔隙。同時，圖3顯示更低的凍干溫度會降低壓電性能，這是由于長徑比過大的孔隙會限制多孔材料中PEG的分子運(yùn)動，進(jìn)而降低了PEG的介電松弛性能，最終引起壓電輸出電壓下降。尤其值得注意的是， CNC/PEG壓電特性是在動應(yīng)力頻率接近PEG松弛頻率時達(dá)到最佳（如圖3c所示），這表明CNC的壓電輸出與PEG的松弛行為有直接關(guān)聯(lián)。


圖2. 纖維素納米晶基多孔材料的SEM圖、孔隙率、比表面積和孔隙尺寸。


圖3. 纖維素納米晶基多孔材料的壓電輸出電壓。


  結(jié)合圖4中CNC/PEG多孔材料的力學(xué)行為和介電表征結(jié)果，發(fā)現(xiàn)過大的長徑比將導(dǎo)致CNC顆粒與PEG分子在孔壁中的力學(xué)行為受限，進(jìn)而引起壓電輸出能力和傳感穩(wěn)定性下降。相反地，適當(dāng)?shù)目紫堕L徑比更有助于材料的彈性強(qiáng)化，對材料的力學(xué)行為穩(wěn)定性提升有重要貢獻(xiàn)。進(jìn)而，該材料的力電耦合系數(shù)可調(diào)控至高達(dá)0.69。基于上述性能的支撐，嘗試將此多孔材料應(yīng)用于人體運(yùn)動監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其能非常靈敏地識別不同部位不同力度的運(yùn)動模式（如圖5所示）。


圖4. 纖維素納米晶基多孔材料的壓縮力學(xué)行為與機(jī)電耦合行為。


圖5. 基于纖維素納米晶基多孔材料的自供能傳感器件。


  綜上可見，西南大學(xué)甘霖和黃進(jìn)團(tuán)隊(duì)研究了柔性高分子增韌途徑對CNC基多孔壓電材料力學(xué)、電學(xué)及力電耦合性能的影響機(jī)制。結(jié)果表明，弱極性的PEG在發(fā)揮增韌功能的同時，還可通過其介電松弛行為強(qiáng)化CNC的壓電輸出能力；同時，定向誘導(dǎo)凍干所專門調(diào)控形成的取向孔隙，對PEG這一柔性極化橋有進(jìn)一步促進(jìn)作用。該CNC基多孔材料的生物相容性已得到初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，適合用于人體可穿戴設(shè)備中的自供能器件，具有對不同人體運(yùn)動進(jìn)行靈敏監(jiān)測的功能。該工作以“Improved piezoelectricity of porous cellulose material via flexible polarization-initiate bridge for self-powered sensor”為題，發(fā)表于Carbohydrate Polymers，2022，298，120099（DOI: 10.1016/j.carbpol.2022.120099），受到了國家自然科學(xué)基金（51973175）、重慶市英才計(jì)劃創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)示范團(tuán)隊(duì)及技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用開發(fā)“包干制”項(xiàng)目（CQYC201903243、cstc2021ycjh-bgzxm0307）、重慶市高校創(chuàng)新研究群體（CXQT19008）等多個項(xiàng)目的資助，西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)碩士研究生李淑芳為該研究工作的第一作者。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861722010049

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