DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105358

具有良好柔软性和高比表面积的纳米纤维是可穿戴式摩擦电纳米发电机（TENG）的绝佳选择，尽管其可变形性和耐用性在与日常纺织品/服装无缝衔接方面仍然具有挑战性。在本文中，研究者提出了一种物理互锁策略，通过同时静电纺丝聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）和电喷雾苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS），来实现自互锁可拉伸、透气和防水的纳米纤维膜。电喷雾SEBS微球用作弹性粘合剂和疏水改性剂，可增强电纺PVDF-HFP纤维网络的可拉伸性和防水性。利用由液态金属（镓铟锡颗粒）和银薄片组成的可印刷电极，研制出一种具有高摩擦电输出（85V，219.66 mW m-2）和电耐久性的可拉伸纳米纤维基TENG（SNF-TENG）。能够从人体运动和流水中收集能量，为200个商用LED和电子表供电。可拉伸纳米纤维膜表现出良好的机械柔顺性，可以轻松地衔接到可拉伸纺织品上以制备纺织品-TENG，其有望在电源、智能雨衣、自供电电子皮肤和触觉交互界面等方面实现舒适的可穿戴应用。

图1.基于TENG（SNF-TENG）的自互锁可拉伸纳米纤维的结构和性能。（a）SNF-TENG的制备过程示意图。（i）电喷雾以组装SEBS膜，（ii）在SEBS膜上丝网印刷可拉伸电极，（iii）在导电SEBS膜上同时沉积PVDF纳米纤维和SEBS微球。电极图案显示了这种原位沉积和组装技术在制备具有所需几何形状的SNF-TENG时的可行性。（b）设计的SNF-TENG的结构具有类似三明治的结构。（c）SNF-TENG的横截面SEM图像和表面形态。（d）基于PHS的SNF-TENG的循环拉伸性能。（e-g）展示SNF-TENG拉伸性、柔性、疏水性和可洗性的照片。

图2.PHS膜的特性。（a）纯PVDF-HFP和PHS（30％PVDF-HFP，70％SEBS）膜的拉伸应力-应变曲线。（b）PHS膜（30％PVDF-HFP，70％SEBS）的循环拉伸应力-应变曲线。（c）PHS膜的拉伸机制示意图。橙色线代表PVDF-HFP纳米纤维，浅绿色圆圈或椭圆形代表SEBS微球。（d）在（I）0％，（II）50％，（III）100％，（IV）150％和（V）200％应变下PHS膜（30％PVDF-HFP，70％SEBS）的照片和SEM图像。（e）不同应变下PHS膜（30％PVDF-HFP，70％SEBS）的静态水接触角（WCA）。（f）PVDF-HFP、SEBS、PHS膜（30％PVDF-HFP，70％SEBS）和棉花的水蒸气透过率。

图3.SNF-TENG的弹性导体性能和摩擦电性能。（a）展示弹性导体的柔性。（b）印刷在SEBS基板上的弹性导体的电阻-应变曲线。（c）在150％拉伸应变下的2000次循环期间弹性导体的稳定电阻。（d）SNF-TENG的工作机制。（e）在不同拉伸应变状态下SNF-TENG的输出性能。（f）SNF-TENG在不同作用力下的输出性能。（g）在不同的电阻负载条件下（P=I2R），SNF-TENG的电压和瞬时峰值功率密度的关系。（h）SNF-TENG在连续测量下的输出耐久性。

图4.SNF-TENG在水驱动模式下的性能。（a）SNF-TENG的水能收集机制。（b-c）SNF-TENG在拉伸应变条件下用于收集水能的输出性能。（d）SNF-TENG的输出耐久性。（e）SNF-TENG在延长洗涤15小时前后的输出性能。（f）在100％应变下，在水流下驱动40个LED阵列的SNF-TENG。（g）发电的智能雨衣。

图5.SNF-TENG和纺织品-TENG作为电源或传感器。（a）通过敲击SNF-TENG驱动（4.5×4.5cm2）200个LED阵列。（b）SNF-TENG用作电子设备电源的电路图。（c）SNF-TENG作为电源，可为33μF电容器充电，从而为电子表供电。（d）SNF-TENG的可拉伸性演示。（e）不同手指动作下SNF-TENG的特征输出信号（1.5×4.5cm2）。（f）纺织品-TENG（1.5×4.5cm2）在0％和25％应变下的输出性能。（g-h）展示了基于纺织品-TENG的触觉交互界面，该界面能够映射不同的触摸事件。