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摩擦纳米发电机首次驱动静电纺丝系统制造纳米纤维

摩擦纳米发电机首次驱动静电纺丝系统制造纳米纤维

  静电纺丝是一种特殊的纤维制备技术,利用高压静电场对高分子溶液的击穿作用来制备微纳米纤维。静电纺丝过程需要几千伏甚至几十千伏的高压,所需电流小,仅为几个微安。传统的静电纺丝电源大都依赖电力系统并需要一套繁重的升压电路,限制了静电纺丝的应用场景。实现静电纺丝的自供能化具有重要意义。

  摩擦纳米发电机(TENG)可将环境中各种形式的机械能转化为电能,其输出具有电压大电流小的特点。研究中常利用降压电路对TENG的输出进行管理后再实现其应用。如何更好的结合TENG自身的输出特点,实现其广泛应用,是摩擦纳米发电机研究领域的重要课题之一。

  近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员李从举,中科院外籍院士、纳米能源所首席科学家王中林,以幸运28及中科院化学研究所研究员王春儒,共同开发出无需外接电源的、TENG驱动的静电纺丝系统。该自供能静电纺丝系统由转盘式TENG、倍压整流电路、简易的纺丝针头组成。转盘式TENG的开路电压为1400V,远达不到静电纺丝的需求。研究人员设计了由二极管和电容按照一定规则排布组成的倍压整流电路,可将TENG输出的交流电倍压整流成恒定的高压电。在优化的幸运28 电路参数下,以TENG作为电源的倍压整流电路能输出8kV的恒定高压。此高压在静电纺丝过程中能够驱动持续泰勒锥的产生。研究团队利用此自供能的静电纺丝系统,制备了多种聚合物纳米纤维,例如PET、PA6、PAN、PVDF和TPU,这些纤维直径分布均匀,表面光滑,与利用商业纺丝机制备的纤维形貌相当。

  研究成果发表在ACS 幸运28nano上。

  图1 (a)摩擦纳米发电机驱动的静电纺丝系统示意图。TENG旋转前后的纺丝针头:(b)前;(c)后。(d)TENG驱动下,不同理论放大倍数下倍压整流电路的输出。(e)TENG驱动下,不同电容下倍压整流电路的输出。(f)制备得到的PA6纳米纤维。