馮玲玲，李雙燕，崔振華，吳雙全，臧傳鋒，徐思峻*

（1.南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.江蘇唐工紡實業(yè)有限公司，江蘇 南通 226000；3.曠達汽車飾件系統(tǒng)有限公司，江蘇 常州 213000）

隨著科技的發(fā)展，自供能智能可穿戴設(shè)備因質(zhì)輕便攜、低碳環(huán)保、可持續(xù)供電等優(yōu)點逐漸走進人們的生活。近年來，摩擦發(fā)電機的問世進一步推動了智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展。摩擦納米發(fā)電機是利用兩種電負性差異較大的材料，通過二者接觸分離時得失電子，在外電路產(chǎn)生電流的微型電機。通過摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)，摩擦納米發(fā)電機能夠?qū)h(huán)境中的機械能轉(zhuǎn)化成電能[1-4]，在智能可穿戴、自驅(qū)動傳感器領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景[5-7]。

紡織基摩擦納米發(fā)電機一般以纖維或面料為基本組織結(jié)構(gòu)，具有柔性、耐磨、透濕、透氣等特點，在智能可穿戴領(lǐng)域備受關(guān)注[8-10]。目前，提高納米摩擦發(fā)電機發(fā)電效率的主流方式是增加單位面積感應(yīng)電荷量、提升電荷轉(zhuǎn)移效率和增大有效接觸面積。Liu等[11]人通過在聚酯纖維表面涂覆Ni 膜和Cu膜得到導(dǎo)電紗線，以此作為芯層，在導(dǎo)電紗線表面涂覆一層二甲基硅氧烷得到單根能量收集線，隨后利用十七氟-1，1，2，2-四氫癸基三氯硅烷對其表面進行氟化處理，從而提高了單位面積感應(yīng)電荷量和電荷收集效率，所制備材料測得最大開路電壓和短路電流分別達到60 V 和3 μA。Doganay等[12]人利用熱塑性聚氨酯薄膜層和銀納米線涂層織物作為摩擦電納米發(fā)電機電極，制備出用于自供電的可穿戴設(shè)備人機接口。研究表明，該摩擦發(fā)電機能夠有效提高電荷轉(zhuǎn)移效率，具有較高的耐洗性和摩擦電性能。Qiu等[13]人利用普通滌綸織物作為基底，利用靜電紡絲方法將PVDF 納米纖維和PTFE 納米粒子附著在滌綸織物表面作為摩擦層，大大增加了復(fù)合織物的摩擦感應(yīng)電荷量。目前，研究者主要通過表面涂覆、改變紗線和織物結(jié)構(gòu)、織物復(fù)合等方法來增加單位面積摩擦電荷量，以提高電荷收集效率，但結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜。通過增加有效接觸面積來提高摩擦電效率的相關(guān)研究較少。

受限于織物凹凸的組織結(jié)構(gòu)，柔性織物發(fā)電機與外界接觸織物的有效接觸面積遠低于薄膜材料[14]。為提高有效接觸面積，本研究利用磨毛技術(shù)，使織物表面形成致密矗立的絨毛，從而大大增加表層纖維數(shù)量。另外，絨毛受應(yīng)力彎曲會產(chǎn)生一定的壓電效應(yīng)，從而可進一步提高其摩擦發(fā)電性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料：滌綸織物（25 tex，經(jīng)密335 根/10 cm，緯密236 根/10 cm，永盛棉織廠），棉織物（28 tex，經(jīng)密276 根/10 cm，緯密236 根/10 cm，永盛棉織廠），芳綸織物（14.5 tex × 2，經(jīng)密356 根/10 cm，緯密264根/10 cm，煙臺泰和新材料股份有限公司），天絲織物（單位面積質(zhì)量107.6 g/m2，經(jīng)密540 根/10 cm，緯密380 根/10 cm，市售），羊毛織物（經(jīng)密184 根/10 cm，緯密144 根/10 cm，單位面積質(zhì)量200 g/m2左右，英國SDC，市售），砂紙（240 目，寬95 mm，市售），導(dǎo)電織物（單層自粘膠，昆山比泰祥電子有限公司）。

儀器：JC101 型電熱鼓風干燥箱（南通嘉誠儀器有限公司），6514 型可編程靜電計（美國吉時利儀器有限公司），自制接觸分離設(shè)備。

1.2 滌綸磨毛傳感織物制備

將240 目砂紙與滌綸織物平行放置，在摩擦壓力為1.5 N、摩擦速度為10 mm/s 條件下，順滌綸織物經(jīng)紗方向摩擦20 s，使其表面產(chǎn)生絨毛，隨后將導(dǎo)電織物粘貼于滌綸織物反面，所制備復(fù)合織物通過單電極方式與大地相連。復(fù)合織物與接觸織物通過接觸-分離所產(chǎn)生的電荷經(jīng)導(dǎo)電織物流向大地，從而形成感應(yīng)電流[15-18]。所制備滌綸磨毛傳感織物結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 滌綸磨毛織物摩擦發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of polyester fiber friction generator

1.3 摩擦電性能測試

圖2 為摩擦電性能測試原理圖。利用單電極法測試所制備材料摩擦電性能[19-20]。在溫度（20±1）℃、相對濕度（65±2）%的環(huán)境下，采用單一變量法探究接觸材料種類、接觸壓強（單位面積所受壓力）、接觸頻率、滌綸織物吸濕率對摩擦發(fā)電性能的影響，對比磨毛前后摩擦發(fā)電性能的變化。實驗通過控制觸壓設(shè)備的接觸板移動速度和步進距離調(diào)節(jié)接觸頻率和接觸壓力，采用6514 型可編程靜電計測試接觸分離過程中產(chǎn)生的電壓、電流、功率和電荷。

圖2 測試原理圖Fig.2 Test schematic diagram

1.3.1 接觸材料種類對摩擦電性能的影響

在壓強為156 N/m2、接觸頻率為1.6 Hz 的條件下，測試樣品（4 cm × 4 cm）與棉、芳綸、天絲和羊毛織物接觸分離時的摩擦電性能（包括開路峰值電壓、峰值電流、峰值功率、轉(zhuǎn)移電荷），考察不同接觸材料對摩擦電性能的影響。

1.3.2 接觸壓強對摩擦電性能的影響

以天平為基底，將測試樣品粘貼在天平上，調(diào)節(jié)觸壓裝置伸縮板步進距離設(shè)定壓力大小。將接觸頻率設(shè)定為1.6 Hz，測試磨毛滌綸織物（4 cm ×4 cm）在壓強為13，50，100，156，231 N/m2下接觸分離時產(chǎn)生的開路峰值電壓、峰值電流、峰值功率和電荷轉(zhuǎn)移量，考察壓強對摩擦電性能的影響。

1.3.3 接觸頻率對摩擦電性能的影響

在最佳壓力下，通過調(diào)節(jié)伸縮板移動速度調(diào)節(jié)接觸頻率并測試接觸頻率為1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0 Hz 下，滌綸織物（4 cm × 4 cm）接觸分離過程產(chǎn)生的開路峰值電壓、峰值電流、峰值功率和電荷轉(zhuǎn)移量，考察接觸頻率對摩擦電性能的影響。

1.3.4 吸濕率對摩擦電性能的影響

在最佳接觸頻率和壓強下，測試磨毛前后滌綸織物（4 cm × 4 cm）在不同回潮率條件下的摩擦電性能，考察吸濕率對摩擦電性能的影響。

測試樣品在80 ℃下連續(xù)烘干24 h 取出，設(shè)此時時間為0 h，隨后將樣品放在溫度（20±1）℃、相對濕度（65±2）%的實驗環(huán)境下吸濕0.5，1.0，1.5，2.0 h并稱重，最后測試上述不同吸濕率的滌綸織物的摩擦電性能。樣品吸濕率計算方法為

另外，為模擬梅雨季節(jié)高回潮率情況下的摩擦電效果，將普通滌綸和磨毛滌綸織物放在溫度（20±1）℃、相對濕度（90±2）%環(huán)境中吸濕24 h，最后測試其摩擦電性能。

1.4 滌綸磨毛傳感織物的應(yīng)用

將復(fù)合織物分別縫在衣物的腋下、膝蓋處，利用6514 型靜電計測試人體運動產(chǎn)生的摩擦電信號；為測試其觸控性能，用手指連續(xù)觸壓復(fù)合織物，通過6514 型靜電計采集手指與傳感織物接觸分離時產(chǎn)生的摩擦電信號。

2 結(jié)果與討論

2.1 磨毛滌綸織物的表征

為提高滌綸織物摩擦發(fā)電效率，利用磨毛法對織物表面進行磨毛整理，磨毛前后織物的表面形貌結(jié)構(gòu)如圖3 所示。與未磨毛織物相比，磨毛織物表面出現(xiàn)了大量致密的纖維絨，表明該方法成功制備了磨毛滌綸織物。

圖3 磨毛前后滌綸織物表面形貌結(jié)構(gòu)Fig.3 Surface morphology of polyester fabric before and after polishing

2.2 接觸材料種類的影響

根據(jù)1.3.1 進行實驗，結(jié)果如表1 所示。由表1可以看出，無論是磨毛和未磨毛滌綸織物，其與不同材料接觸織物接觸時，摩擦電性能變化規(guī)律相似，即羊毛＞芳綸＞棉＞天絲。顯然，滌綸與羊毛織物接觸時產(chǎn)生的峰值電壓、峰值電流、峰值功率和轉(zhuǎn)移電荷量最高。這是因為滌綸與羊毛的摩擦帶電序列相距最遠，摩擦過程中羊毛最容易失去電子并將電子轉(zhuǎn)移至滌綸織物表面。天絲摩擦電性能較棉纖維差，可能的原因是棉纖維表面相比天絲更加粗糙。

表1 磨毛滌綸與不同接觸材料的摩擦電性能Tab.1 Triboelectric properties of milled polyester with different contact materials

2.3 接觸壓強的影響

根據(jù)1.3.2 進行實驗（接觸材料為羊毛），結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，接觸壓強對磨毛前后滌綸織物的摩擦電性能影響規(guī)律相同，均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。與未磨毛織物相比，磨毛織物表現(xiàn)出更強的摩擦電性能。當壓強為156 N/m2時，磨毛滌綸織物的摩擦電性能達到最優(yōu)，磨毛織物峰值電壓為71.7 V、峰值電流為408.42 nA、峰值功率為18.31 × 10-3W/m2，電荷轉(zhuǎn)移量為12.1 nC。當壓強超過156 N/m2時，峰值電壓、峰值電流、峰值功率和電荷轉(zhuǎn)移量均開始下降，這可能與過高的壓強造成織物的結(jié)構(gòu)損傷有關(guān)。

圖4 壓強與摩擦電性能的關(guān)系Fig.4 Relationship between pressure and frictional power generation performance

2.4 接觸頻率的影響

根據(jù)1.3.3 進行實驗（接觸材料為羊毛），結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，隨著接觸頻率增加，未磨毛與磨毛滌綸織物的輸出電壓、輸出電流、功率、轉(zhuǎn)移電荷量均先增大后減小。其中，當接觸頻率為1.8 Hz時，摩擦電性能最優(yōu)。當接觸頻率低于1.8 Hz 時，滌綸織物表面積累的電荷量較少，峰值電壓、峰值電流、峰值功率與接觸頻率呈正相關(guān)。但是，當接觸頻率超過1.8 Hz 時，滌綸織物表面積累的電荷超過閾值，大量電荷通過尖端放電逸散于空氣中，導(dǎo)致能量耗散大大增加，使得摩擦電性能下降。

圖5 接觸頻率與摩擦電性能的關(guān)系Fig.5 Relationship between contact frequency and friction power generation performance

綜上所述，磨毛后的滌綸織物與羊毛織物摩擦，峰值電壓最高可達85.1 V，峰值電流最高可達518.75 nA，峰值功率最高達27.59 × 10-3W/m2，電荷轉(zhuǎn)移量最高達13.6 nC。與未磨毛織物相比，磨毛織物峰值功率提高了281.1%。這是因為滌綸織物磨毛后大大提高了織物的接觸面積。

2.5 吸濕率對摩擦電性能的影響

根據(jù)1.3.4 進行實驗（接觸材料為羊毛），結(jié)果如表2 和圖6 所示。從表2 可以看出，滌綸織物吸濕率較低，即使在溫度（20±1）℃、相對濕度（90±2）%的條件下，吸濕率僅為0.70%（未磨毛）和0.63%（磨毛）。盡管如此，吸濕率對滌綸織物的摩擦電性能影響非常明顯。從圖6 可以看出，隨著吸濕率增加，磨毛滌綸和未磨毛滌綸織物摩擦電性能均大大降低。當吸濕率為0%時，輸出電性能最好，磨毛滌綸織物峰值電壓為85.1 V、峰值電流為518.75 nA、峰值功率為27.59×10-3W/m2，電荷轉(zhuǎn)移量為13.6 nC。隨著吸濕率不斷增加，滌綸織物電阻不斷下降，摩擦產(chǎn)生的靜電荷逸散增加，從而導(dǎo)致織物摩擦電性能下降。

表2 不同時間下滌綸織物的吸濕率Tab.2 Moisture absorption rate of polyester fabric at different times

在模擬梅雨季節(jié)高回潮率條件下，經(jīng)高濕環(huán)境吸濕后，磨毛滌綸織物吸濕率達到0.63%，對應(yīng)峰值電壓為8.2 V、峰值電流為61 nA、峰值功率0.3 ×10-3W/m2，電荷轉(zhuǎn)移量僅為2.3 nC。顯然，高濕環(huán)境下的磨毛滌綸織物因吸收大量水分而導(dǎo)致摩擦電性能大幅下降。盡管如此，橫向?qū)Ρ葋砜?，磨毛滌綸織物在高吸濕率情況下的摩擦電性能仍優(yōu)于未磨毛織物。

2.6 應(yīng)用實例

如圖7 所示，將制備的滌綸織物通過針線縫合的方式固定在衣物上，對應(yīng)人體的不同部位，利用接觸摩擦產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號檢測人體不同部位的運動狀態(tài)和運動頻率。考慮到最外層服裝羊毛織物應(yīng)用較少，因此在實際測試中選用純棉織物作為接觸材料。如圖7（a）所示，將滌綸基自供電傳感織物集成到膝蓋部位可用于監(jiān)測膝蓋彎曲運動信號。測試發(fā)現(xiàn)，膝蓋彎曲能夠產(chǎn)生6 V 的感應(yīng)峰值電壓，其峰值電壓頻率與膝蓋彎曲頻率一致，證明其也可用于監(jiān)測膝蓋彎曲運動狀態(tài)（靜止或處于彎曲動作狀態(tài)）及彎曲頻率。隨后將滌綸基自供電傳感織物固定于腋下部位，測試胳膊與腋下觸壓時產(chǎn)生的摩擦電信號（圖7（b））。當手臂上下擺動時，兩者觸壓產(chǎn)生的峰值電壓超過9 V，高于膝蓋彎曲電壓。同樣，電壓頻率與手臂擺動頻率一致，表明其可用于監(jiān)測手臂運動狀態(tài)及手臂上下擺動頻率。此外，該傳感織物可應(yīng)用于手寫觸控輸入，當手指與織物接觸時，可產(chǎn)生1.5 V 的峰值電壓（圖7（c）），將該信號輸出調(diào)制后可用于手寫觸控等領(lǐng)域[21]。綜上所述，滌綸基自供電傳感織物能夠有效采集人體各個部位的運動信號，有望用于柔性自供能智能可穿戴設(shè)備。

圖7 生物力學(xué)運動傳感和監(jiān)測應(yīng)用Fig.7 Biomechanical motion sensing and monitoring applications

3 結(jié)論

本文利用磨毛法制備了磨毛滌綸自供能傳感織物，考察了接觸面料種類、接觸壓強、接觸頻率、織物回潮率等因素對摩擦發(fā)電性能的影響。研究表明，所制備自驅(qū)動摩擦傳感織物與不同面料接觸分離時輸出功率大小為：天絲＜棉＜芳綸＜羊毛。所制備傳感織物與羊毛織物摩擦?xí)r的峰值電壓、峰值電流和峰值功率隨著接觸壓強的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當壓強為156 N/m2時，其峰值電壓、峰值電流、峰值功率及電荷轉(zhuǎn)移量分別達到71.7 V、408.42 nA、18.31 × 10-3W/m2和12.1 nC，相比未磨毛織物其功率提高了161.6%。接觸頻率對傳感織物的峰值電壓、峰值電流和峰值功率的影響規(guī)律相似，即隨接觸頻率的增加先增大后減小。當接觸頻率為1.8 Hz 時，峰值電壓、峰值電流、峰值功率及電荷轉(zhuǎn)移量分別達到85.1 V、518.75 nA、27.59×10-3W/m2、13.6 nC，與未磨毛織物相比，其峰值功率提高了281.1%。滌綸織物吸濕后電阻下降，增大了電荷逸散，因此隨著織物吸濕率增加，摩擦電性能逐漸減小。所制備傳感織物可負載于膝蓋、腋下等部位用于檢測人體運動信號，相應(yīng)峰值感應(yīng)電壓可達6 V和9 V。另外，該復(fù)合織物可用于智能觸控，當單指接觸面料時可產(chǎn)生1.5 V 峰值感應(yīng)電壓。綜上所述，所制備滌綸磨毛織物具有良好的摩擦電性能，在智能可穿戴與智能觸控等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。