摩擦納米發(fā)電機首次驅(qū)動靜電紡絲系統(tǒng)制造納米纖維

　　靜電紡絲是一種特殊的纖維制備技術(shù)，利用高壓靜電場對高分子溶液的擊穿作用來制備微納米纖維。靜電紡絲過程需要幾千伏甚至幾十千伏的高壓，所需電流小，僅為幾個微安。傳統(tǒng)的靜電紡絲電源大都依賴電力系統(tǒng)并需要一套繁重的升壓電路，限制了靜電紡絲的應(yīng)用場景。實現(xiàn)靜電紡絲的自供能化具有重要意義。

　　摩擦納米發(fā)電機（TENG）可將環(huán)境中各種形式的機械能轉(zhuǎn)化為電能，其輸出具有電壓大電流小的特點。研究中常利用降壓電路對TENG的輸出進(jìn)行管理后再實現(xiàn)其應(yīng)用。如何更好的結(jié)合TENG自身的輸出特點，實現(xiàn)其廣泛應(yīng)用，是摩擦納米發(fā)電機研究領(lǐng)域的重要課題之一。

　　近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員李從舉，中科院外籍院士、納米能源所首席科學(xué)家王中林，以及中科院化學(xué)研究所研究員王春儒，共同開發(fā)出無需外接電源的、TENG驅(qū)動的靜電紡絲系統(tǒng)。該自供能靜電紡絲系統(tǒng)由轉(zhuǎn)盤式TENG、倍壓整流電路、簡易的紡絲針頭組成。轉(zhuǎn)盤式TENG的開路電壓為1400V，遠(yuǎn)達(dá)不到靜電紡絲的需求。研究人員設(shè)計了由二極管和電容按照一定規(guī)則排布組成的倍壓整流電路，可將TENG輸出的交流電倍壓整流成恒定的高壓電。在優(yōu)化的電路參數(shù)下，以TENG作為電源的倍壓整流電路能輸出8kV的恒定高壓。此高壓在靜電紡絲過程中能夠驅(qū)動持續(xù)泰勒錐的產(chǎn)生。研究團隊利用此自供能的靜電紡絲系統(tǒng)，制備了多種聚合物納米纖維，例如PET、PA6、PAN、PVDF和TPU，這些纖維直徑分布均勻，表面光滑，與利用商業(yè)紡絲機制備的纖維形貌相當(dāng)。

　　研究成果發(fā)表在ACS nano上。

　　圖1 （a）摩擦納米發(fā)電機驅(qū)動的靜電紡絲系統(tǒng)示意圖。TENG旋轉(zhuǎn)前后的紡絲針頭：（b）前；（c）后。（d）TENG驅(qū)動下，不同理論放大倍數(shù)下倍壓整流電路的輸出。（e）TENG驅(qū)動下，不同電容下倍壓整流電路的輸出。（f）制備得到的PA6納米纖維。