CN115305589B - 一种提高有机复合热电纤维性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高有机复合热电纤维性能的方法，包括以下具体步骤：S1：将碳纳米管超声分散在水中，然后加入离子液体继续超声分散，最后加入PEDOT:PSS后混匀，获得纺丝原液；S2：取适量上述纺丝原液加入凝固浴中制备PEDOT:PSS/碳纳米管复合纤维，即为高导电有机复合热电纤维。本发明的有益效果是工艺简单，通过添加离子液体有效增强复合材料各组分之间的相互作用，提升复合纤维的电导率，进而优化其性能。
Description
技术领域
本发明涉及有机热电材料技术领域，具体涉及一种提高有机复合热电纤维性能的方法。
背景技术
目前世界总体的能量利用效率不足40％，剩余的能量主要以热量的形式散失。从应用需求的趋势来看，以便携式和可穿戴为特征的分散式能源供给纺丝开始得到广泛关注。热电材料能够将热能直接转换为电能，为可穿戴电子设备的供电提供了一种有前景的解决方案。由热电材料组成的热电器件在工作中无运动部件、无噪音、不产生废气以及较长的使用寿命，可用于回收废热发电，也可以利用人体皮肤与环境的温差为各种低能耗的可穿戴电子设备供电。
热电材料的能量转换效率通常采用热电优值ZT来评价，ZT＝S2σT/κ，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热导率，S2σ定义为功率因子，有机热电材料的热导率较低且变化较小，因此广泛采用功率因子衡量有机材料的热电性能。ZT值越高，材料的热电转换效率越高，更有利于实现热能向电能的转化。
有机热电材料具有低成本、加工便利、柔性、质量轻和热导率低等优点，在工业生产和科学研究领域具有极大的研究价值。目前相关文献报道的有机复合热电纤维主要是通过在纤维材料表面附着导电聚合物，凝胶化及湿法纺丝等方式来制备，其中湿法纺丝的方式因可连续制备而受到广泛关注，但目前主要用于纯导电聚合物纺丝纤维中，限制了有机热电纤维热电性能的提升。在有机薄膜热电材料研究中，通过制备有机复合热电材料可以获得较单纯导电聚合物更优异的热电性能，但目前有机复合热电纤维的制备研究较少，其热电性能仍处于较低水平，开发高导电有机复合热电纤维具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高有机复合热电纤维性能的方法，旨在解决现有技术中的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种提高有机复合热电纤维性能的方法，包括以下具体步骤：
S1：将碳纳米管超声分散在水中，然后加入离子液体继续超声分散，最后加入PEDOT:PSS后混匀，获得纺丝原液；
S2：取适量上述纺丝原液加入凝固浴中制备PEDOT:PSS/碳纳米管复合纤维，即为高导电有机复合热电纤维。
本发明的有益效果是：本发明工艺简单，通过添加离子液体有效增强复合材料各组分之间的相互作用，提升复合纤维的电导率，进而优化其性能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述S1中的离子液体为咪唑类离子液体。
采用上述进一步方案的有益效果是离子液体的加入可以通过离子交换效应诱导PEDOT:PSS的相分离，有利于PEDOT的线性醌型构象的形成以及绝缘PSS组分的去除，从而提升电导率；同时，咪唑离子与π电子碳纳米管表面的特异性相互作用有利于碳纳米管的解聚和分散，两者界面相互作用有利于塞贝克系数的提升，两种因素协同作用提升了复合纤维的热电性能；另外，在纤维成形过程中有沿着纤维轴向的取向排列，有利于电荷传输，提升电导率。
进一步，所述咪唑类离子液体包括1-烷基咪唑、1-烷基-3-甲基咪唑或1-烷基-2,3二甲基咪唑中的一种或多种混合。
采用上述进一步方案的有益效果是选材合理，可有效提升复合纤维的电导率，成本低。
进一步，所述S2中的凝固浴为有机溶剂。
采用上述进一步方案的有益效果是选材合理，可有效提升复合纤维的电导率。
进一步，所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇以及正丁醇中的一种或多种的混合。
采用上述进一步方案的有益效果是选材合理，可有效提升复合纤维的电导率，且成本低。
进一步，所述S2包括以下具体步骤：
所述S21：采用注射器吸取1-3mL上述纺丝原液加入凝固浴中形成纤维；
所述S22：用去离子水洗涤多次后干燥，获得PEDOT:PSS/碳纳米管复合纤维。
采用上述进一步方案的有益效果是一方面，通过注射器将碳纳米管加入纺丝原液，使得维碳纳米管在挤出过程中形成一定的有序排列，优化复合材料的电荷传输；另一方面，纺丝液挤出后在凝固浴可削弱PEDOT与PSS之间的相互作用，进而将不导电的PSS组分除去，同时由于PEDOT和碳纳米管的疏水性，它们之间的π-π相互作用在可以得到增强，从而提升其电导率。
进一步，所述S21中注射器挤出纺丝原液的速率为0.01-0.2mL/min。
采用上述进一步方案的有益效果是纺丝原液挤出的速率设计合理，使得一维碳纳米管在挤出过程中形成一定的有序排列，优化复合材料的电荷传输。
进一步，所述S2中获得的PEDOT:PSS/CNT复合纤维中，PEDOT:PSS的含量为30wt％-45wt％，离子液体的含量为5wt％-35wt％，碳纳米管的含量为35wt％-50wt％。
采用上述进一步方案的有益效果是设计合理，该浓度下制备的PEDOT:PSS/CNT复合纤维的导电性能较佳。
进一步，所述S1中的碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管中的任意一种或多种混合。
采用上述进一步方案的有益效果是选材合理，有利于PEDOT:PSS/CNT复合纤维的快速制备，且可保证PEDOT:PSS/CNT复合纤维的性能。
进一步，所述S1中的PEDOT:PSS材料为可分散于水中的PEDOT:PSS分散液。
采用上述进一步方案的有益效果是选材合理，可快速溶于水中以制备PEDOT:PSS/CNT复合纤维，制备效率大大提高。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明中离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合材料纤维的S2p X射线光电子能谱；
图3为本发明中离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合材料纤维的全部拉曼光谱；
图4为本发明中离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合材料纤维的部分拉曼光谱；
图5为本发明中离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合纤维的电导率和塞贝克系数；
图6为本发明中离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合纤维的功率因子；
图7为本发明中离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合纤维的应力-应变曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
如图1至图7所示，本实施例提供一种提高有机复合热电纤维性能的方法，包括以下具体步骤：
S1：将碳纳米管(CNT)超声分散在水中，然后加入离子液体继续超声分散，最后加入PEDOT:PSS后混匀，获得纺丝原液；
S2：取适量上述纺丝原液加入凝固浴中制备PEDOT:PSS/碳纳米管复合纤维，即为高导电有机复合热电纤维。
优选地，本实施例中，所述S1中是将碳纳米管分散至去离子水中。
本实施例工艺简单，通过添加离子液体(IL)可有效增强复合材料各组分之间的相互作用，提升复合纤维的电导率，进而优化其性能。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例中，所述S1中的离子液体为咪唑类离子液体。
离子液体的加入可以通过离子交换效应诱导PEDOT:PSS的相分离，有利于PEDOT的线性醌型构象的形成以及绝缘PSS组分的去除，从而提升电导率；同时，咪唑离子与π电子碳纳米管表面的特异性相互作用有利于碳纳米管的解聚和分散，两者界面相互作用有利于塞贝克系数的提升，两种因素协同作用提升了复合纤维的热电性能；另外，在纤维成形过程中有沿着纤维轴向的取向排列，有利于电荷传输，提升电导率。
优选地，本实施例中，上述注射器的纺丝针头规格为18G～30G。
实施例3
在实施例2的基础上，本实施例中，所述咪唑类离子液体包括1-烷基咪唑、1-烷基-3-甲基咪唑或1-烷基-2,3二甲基咪唑中的一种或多种混合。
该方案选材合理，可有效提升复合纤维的电导率，成本低。
实施例4
在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述S2中的凝固浴为有机溶剂。
该方案选材合理，可有效提升复合纤维的电导率。
实施例5
在实施例4的基础上，本实施例中，所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇以及正丁醇中的一种或多种的混合。
该方案选材合理，可有效提升复合纤维的电导率，且成本低。
实施例6
在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述S2包括以下具体步骤：
所述S21：采用注射器吸取1-3mL上述纺丝原液加入凝固浴中形成纤维；
所述S22：用去离子水洗涤多次后干燥，获得PEDOT:PSS/CNT复合纤维。
该方案一方面，通过注射器将碳纳米管加入纺丝原液，使得维碳纳米管在挤出过程中形成一定的有序排列，优化复合材料的电荷传输；另一方面，纺丝液挤出后在凝固浴可削弱PEDOT与PSS之间的相互作用，进而将不导电的PSS组分除去，同时由于PEDOT和碳纳米管的疏水性，它们之间的π-π相互作用在可以得到增强，从而提升其电导率。
实施例7
在实施例6的基础上，本实施例中，所述S21中注射器挤出纺丝原液的速率为0.01-0.2mL/min。
该方案中，纺丝原液挤出的速率设计合理，使得一维碳纳米管在挤出过程中形成一定的有序排列，优化复合材料的电荷传输。
实施例8
在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述S2中获得的PEDOT:PSS/CNT复合纤维中，PEDOT:PSS的含量为30wt％-45wt％，离子液体的含量为5wt％-35wt％，碳纳米管的含量为35wt％-50wt％。
该方案设计合理，该浓度下制备的PEDOT:PSS/CNT复合纤维的导电性能较佳。
实施例9
在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述S1中的碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管中的任意一种或多种混合。
该方案选材合理，有利于PEDOT:PSS/CNT复合纤维的快速制备，且可保证PEDOT:PSS/CNT复合纤维的性能。
实施例10
在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述S1中的PEDOT:PSS材料为可分散于水中的PEDOT:PSS分散液。
该方案选材合理，可快速溶于水中以制备PEDOT:PSS/CNT复合纤维，制备效率大大提高。
优选地，本实施例中，上述可分散于水中的PEDOT：PSS分散液可以采用CleviosPH1000。
本发明的具体实施例如下：
实施例11
取10mg的CNT在2mL去离子水中超声10min后，加入100μL的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(浓度10mg/mL)继续超声10min，然后加入692μL的PEDOT:PSS(1.3wt％)水溶液，振荡分散均匀，获得纺丝原液；
然后，用注射器吸取1mL混合液，将28G不锈钢平口针头斜向下插入异丙醇凝固浴中，使用注射泵以0.05mL/min的速率挤出，纤维成型后用去离子水洗涤3次后收集干燥，制备出IL含量为5wt％的PEDOT:PSS/CNT复合纤维。
其电导率σ为1540S cm-1，塞贝克系数S为30.6μV K-1，功率因子PF为145μW m-1K-2。断裂强度为118MPa，断裂伸长率为11.5％。
实施例12
取10mg的CNT在2mL去离子水中超声10min后，加入200μL的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(浓度10mg/mL)继续超声10min，然后加入692μL的PEDOT:PSS(1.3wt％)水溶液，振荡分散均匀，获得纺丝原液；
然后，用注射器吸取1mL混合液，将28G不锈钢平口针头斜向下插入异丙醇凝固浴中，使用注射泵以0.05mL/min的速率挤出，纤维成型后用去离子水洗涤3次后收集干燥，制备出IL含量为9.5wt％的PEDOT:PSS/CNT复合纤维。
其电导率σ为1450S cm-1，塞贝克系数S为31.2μV K-1，功率因子PF为141μW m-1K-2。断裂强度为135MPa，断裂伸长率为13.2％。
实施例13
取10mg的CNT在2mL去离子水中超声10min后，加入300μL的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(浓度10mg/mL)继续超声10min，然后加入692μL的PEDOT:PSS(1.3wt％)水溶液，振荡分散均匀，获得纺丝原液；
然后，用注射器吸取1mL混合液，将28G不锈钢平口针头斜向下插入异丙醇凝固浴中，使用注射泵以0.05mL/min的速率挤出，纤维成型后用去离子水洗涤3次后收集干燥，制备出IL含量为13.6wt％的PEDOT:PSS/CNT复合纤维。
其电导率σ为1280S cm-1，塞贝克系数S为32.3μV K-1，功率因子PF为134μW m-1K-2。断裂强度为122MPa，断裂伸长率为15.6％。
实施例14
取10mg的CNT在2mL去离子水中超声10min后，加入400μL的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(浓度10mg/mL)继续超声10min，然后加入692μL的PEDOT:PSS(1.3wt％)水溶液，振荡分散均匀，获得纺丝原液；
然后，用注射器吸取1mL混合液，将28G不锈钢平口针头斜向下插入异丙醇凝固浴中，使用注射泵以0.05mL/min的速率挤出，纤维成型后用去离子水洗涤3次后收集干燥，制备出IL含量为17.3wt％的PEDOT:PSS/CNT复合纤维。
其电导率σ为1078S cm-1，塞贝克系数S为33.1μV K-1，功率因子PF为118μW m-1K-2。断裂强度为107MPa，断裂伸长率为19.5％。
实施例15
取10mg的CNT在2mL去离子水中超声10min后，加入900μL的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(浓度10mg/mL)继续超声10min，然后加入692μL的PEDOT:PSS(1.3wt％)水溶液，振荡分散均匀，获得纺丝原液；
然后，用注射器吸取1mL混合液，将28G不锈钢平口针头斜向下插入异丙醇凝固浴中，使用注射泵以0.05mL/min的速率挤出，纤维成型后用去离子水洗涤3次后收集干燥，制备出IL含量为32.1wt％的PEDOT:PSS/CNT复合纤维。
其电导率σ为470S cm-1，塞贝克系数S为29.5μV K-1，功率因子PF为40.9μW m-1K-2。断裂强度为89MPa，断裂伸长率为36.7％。
对比例
取10mg的CNT(碳纳米管)在2mL的去离子水中超声10min后形成悬浊液，向此悬浊液中加入692μL的PEDOT:PSS(1.3wt％)水溶液，振荡搅拌使其混合均匀，获得纺丝原液；
然后，用注射器吸取1mL混合液，将28G不锈钢平口针头斜向下插入异丙醇凝固浴中，使用注射泵以0.05mL/min的速率挤出，纤维成型后用去离子水洗涤3次后收集干燥，得到未添加ILs的PEDOT:PSS/CNT复合纤维。
其电导率σ为582S cm-1，塞贝克系数S为28.9μV K-1，功率因子PF为48.6μW m-1K-2。断裂强度为71MPa，断裂伸长率为8.1％。
综合以上实施例的结果，相同的条件下，添加IL的PEDOT:PSS/CNT复合材料纤维的热电性能和力学性能更高。
本发明附图的分析如下：
图2为离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合材料纤维的S2p X射线光电子能谱，在166～170eV结合能处的S2p峰源于PSS中磺酸基上的硫原子，在162～167eV处的双峰对应于PEDOT噻吩环上的硫原子。从图中看到，IL添加后，PEDOT峰强度增大，表明PSS组分的减少。IL的添加导致PEDOT与PSS链间的库伦相互作用减弱，有利于绝缘PSS组分的去除，所以导致高的电导率。
图3为离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合材料纤维的全部拉曼光谱，图4为离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合材料纤维的部分拉曼光谱。由图可知，对于未添加IL的纤维，1442cm-1位置的峰属于PEDOT分子链中Cα＝Cβ对称伸缩振动峰。IL添加后，PEDOT特征峰红移至1440cm-1处。说明PEDOT分子链从低导电的苯型结构向高导电的醌型结构转变，这种转变可以诱导PEDOT分子链高度有序结构的形成，促进电荷载流子的传输，有利于提高电导率。
图5为离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合纤维的电导率和塞贝克系数，图6为离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合纤维的功率因子。由图可知，未添加IL的纤维电导率为582S cm-1，塞贝克系数为28.9μV K-1，功率因子为48.6μW m-1K-2。添加IL后，纤维的电导率为1540S cm-1，塞贝克系数为30.6μV K-1，功率因子为145μW m-1K-2，电导率和功率因子是未添加IL纤维的3倍。IL的添加可以诱导PEDOT:PSS的相分离，有利于PEDOT的线性醌型构象的形成和绝缘PSS组分的去除。IL中咪唑离子与π电子碳纳米管表面的特异性相互作用有利于碳纳米管的解聚和分散。两种因素协同作用提升了复合纤维的热电性能。
图7为本发明中离子液体添加前后PEDOT:PSS与CNT复合纤维的应力-应变曲线。由图可知，未添加IL纤维的断裂强度为71MPa，断裂伸长率为8.1％；添加IL后，纤维的断裂强度为118MPa，断裂伸长率为11.5％，分别提升了66％和42％。
需要说明的是，附图中的(a)和(b)仅仅用于区分附图，没有其他实质性的意义。
本发明提出通过湿法纺丝有机复合热电纤维，通过添加离子液体(IL)增强复合材料各组分之间的相互作用，提升复合纤维的电导率，进而优化其性能。
本发明提出一种通过添加离子液体(IL)提高有机复合热电纤维性能的方法，本发明采用离子液体(IL)添加剂的方法，ILs的添加能削弱PEDOT和PSS间的库伦相互作用，诱导PEDOT:PSS的相分离，有利于PEDOT线性醌型构象的形成和PSS组分的去除。同时，IL中咪唑离子与π电子纳米管表面的特异性相互作用有利于CNT的解聚和分散，增加纤维的可纺性，提高纤维的热电性能和力学性能。本发明通过添加离子液体(IL)增强复合材料各组分之间的相互作用，提升复合纤维的热电性能及力学性能。相对于未添加ILs的PEDOT：PSS/SWCNT纤维，本方法制备的复合纤维热电功率因子可提升至3倍以上，断裂强度可提升66％，断裂应变可提升42％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备工艺条件简单，可控性高，稳定向高，适用于高导电有机复合导电纤维的大规模工业化生产及应用；
(2)本发明采用离子液体(IL)添加剂，IL的加入可以通过离子交换效应诱导PEDOT:PSS的相分离，有利于PEDOT的线性醌型构象的形成以及绝缘PSS组分的去除，从而提升电导率；同时，ILs中咪唑离子与π电子碳纳米管表面的特异性相互作用有利于碳纳米管的解聚和分散，两者界面相互作用有利于塞贝克系数的提升，无需进行复杂的后处理过程即可大幅提升复合纤维的热电性能；另外，在纤维成形过程中有沿着纤维轴向的取向排列，有利于电荷传输，提升电导率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种提高有机复合热电纤维性能的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1：将碳纳米管超声分散在水中，然后加入离子液体继续超声分散，最
后加入PEDOT:PSS后混匀，获得纺丝原液；
其中，所述S1中的离子液体为咪唑类离子液体，所述咪唑类离子液体包括1-烷基咪唑、1-烷基-3-甲基咪唑或1-烷基-2,3二甲基咪唑中的一种或多种混合；
S2：取上述纺丝原液加入凝固浴中形成PEDOT:PSS/碳纳米管复合纤维，即为高导电有机复合热电纤维，包括以下具体步骤：
S21：采用注射器吸取1-3mL上述纺丝原液加入凝固浴中形成纤维；
S22：用去离子水洗涤多次后干燥，获得PEDOT:PSS/碳纳米管复合纤维；
其中，所述S2中的凝固浴为有机溶剂，所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇以及正丁醇中的一种或多种的混合。
2.根据权利要求1所述的提高有机复合热电纤维性能的方法，其特征在于：所述S21中注射器挤出纺丝原液的速率为0.01-0.2mL/min。
3.根据权利要求1所述的提高有机复合热电纤维性能的方法，其特征在于：所述S2中获得的PEDOT:PSS/CNT复合纤维中，PEDOT:PSS的含量为30wt%-45wt%，离子液体的含量为5wt%-35wt%，碳纳米管的含量为35 wt%-50wt%。
4.根据权利要求1所述的提高有机复合热电纤维性能的方法，其特征在于：所述S1中的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的任意一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的提高有机复合热电纤维性能的方法，其特征在于：所述S1中的PEDOT:PSS材料为可分散于水中的PEDOT:PSS分散液。
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| EP3851563A1 (en) * | 2020-01-17 | 2021-07-21 | RISE Research Institutes of Sweden AB | Conductive fiber spinning |
| CN111446355A (zh) * | 2020-03-13 | 2020-07-24 | 东华大学 | 一种有机/无机复合热电纤维及其制备和应用 |
| CN114108132A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-03-01 | 江苏大学 | 一种高强度高电导电性pedot纤维的制备方法 |
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| Wet-spun PEDOT:PSS/CNT composite fibers for wearable thermoelectric energy harvesting;Chao Xu等;Composites Communications;第1-8页 * |
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