冯玲玲，李双燕，崔振华，吴双全，臧传锋，徐思峻*
（1.南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019；
2.江苏唐工纺实业有限公司，江苏 南通 226000；
3.旷达汽车饰件系统有限公司，江苏 常州 213000）
随着科技的发展，自供能智能可穿戴设备因质轻便携、低碳环保、可持续供电等优点逐渐走进人们的生活。近年来，摩擦发电机的问世进一步推动了智能可穿戴技术的发展。摩擦纳米发电机是利用两种电负性差异较大的材料，通过二者接触分离时得失电子，在外电路产生电流的微型电机。通过摩擦起电和静电感应效应，摩擦纳米发电机能够将环境中的机械能转化成电能[1-4]，在智能可穿戴、自驱动传感器领域具有很好的发展前景[5-7]。
纺织基摩擦纳米发电机一般以纤维或面料为基本组织结构，具有柔性、耐磨、透湿、透气等特点，在智能可穿戴领域备受关注[8-10]。目前，提高纳米摩擦发电机发电效率的主流方式是增加单位面积感应电荷量、提升电荷转移效率和增大有效接触面积。Liu等[11]人通过在聚酯纤维表面涂覆Ni 膜和Cu膜得到导电纱线，以此作为芯层，在导电纱线表面涂覆一层二甲基硅氧烷得到单根能量收集线，随后利用十七氟-1，1，2，2-四氢癸基三氯硅烷对其表面进行氟化处理，从而提高了单位面积感应电荷量和电荷收集效率，所制备材料测得最大开路电压和短路电流分别达到60 V 和3 μA。Doganay等[12]人利用热塑性聚氨酯薄膜层和银纳米线涂层织物作为摩擦电纳米发电机电极，制备出用于自供电的可穿戴设备人机接口。研究表明，该摩擦发电机能够有效提高电荷转移效率，具有较高的耐洗性和摩擦电性能。Qiu等[13]人利用普通涤纶织物作为基底，利用静电纺丝方法将PVDF 纳米纤维和PTFE 纳米粒子附着在涤纶织物表面作为摩擦层，大大增加了复合织物的摩擦感应电荷量。目前，研究者主要通过表面涂覆、改变纱线和织物结构、织物复合等方法来增加单位面积摩擦电荷量，以提高电荷收集效率，但结构往往较为复杂。通过增加有效接触面积来提高摩擦电效率的相关研究较少。
受限于织物凹凸的组织结构，柔性织物发电机与外界接触织物的有效接触面积远低于薄膜材料[14]。为提高有效接触面积，本研究利用磨毛技术，使织物表面形成致密矗立的绒毛，从而大大增加表层纤维数量。另外，绒毛受应力弯曲会产生一定的压电效应，从而可进一步提高其摩擦发电性能。
1.1 材料与仪器
材料：涤纶织物（25 tex，经密335 根/10 cm，纬密236 根/10 cm，永盛棉织厂），棉织物（28 tex，经密276 根/10 cm，纬密236 根/10 cm，永盛棉织厂），芳纶织物（14.5 tex × 2，经密356 根/10 cm，纬密264根/10 cm，烟台泰和新材料股份有限公司），天丝织物（单位面积质量107.6 g/m2，经密540 根/10 cm，纬密380 根/10 cm，市售），羊毛织物（经密184 根/10 cm，纬密144 根/10 cm，单位面积质量200 g/m2左右，英国SDC，市售），砂纸（240 目，宽95 mm，市售），导电织物（单层自粘胶，昆山比泰祥电子有限公司）。
仪器：JC101 型电热鼓风干燥箱（南通嘉诚仪器有限公司），6514 型可编程静电计（美国吉时利仪器有限公司），自制接触分离设备。
1.2 涤纶磨毛传感织物制备
将240 目砂纸与涤纶织物平行放置，在摩擦压力为1.5 N、摩擦速度为10 mm/s 条件下，顺涤纶织物经纱方向摩擦20 s，使其表面产生绒毛，随后将导电织物粘贴于涤纶织物反面，所制备复合织物通过单电极方式与大地相连。复合织物与接触织物通过接触-分离所产生的电荷经导电织物流向大地，从而形成感应电流[15-18]。所制备涤纶磨毛传感织物结构如图1 所示。
图1 涤纶磨毛织物摩擦发电机结构示意图Fig.1 Structure diagram of polyester fiber friction generator
1.3 摩擦电性能测试
图2 为摩擦电性能测试原理图。利用单电极法测试所制备材料摩擦电性能[19-20]。在温度（20±1）℃、相对湿度（65±2）%的环境下，采用单一变量法探究接触材料种类、接触压强（单位面积所受压力）、接触频率、涤纶织物吸湿率对摩擦发电性能的影响，对比磨毛前后摩擦发电性能的变化。实验通过控制触压设备的接触板移动速度和步进距离调节接触频率和接触压力，采用6514 型可编程静电计测试接触分离过程中产生的电压、电流、功率和电荷。
图2 测试原理图Fig.2 Test schematic diagram
1.3.1 接触材料种类对摩擦电性能的影响
在压强为156 N/m2、接触频率为1.6 Hz 的条件下，测试样品（4 cm × 4 cm）与棉、芳纶、天丝和羊毛织物接触分离时的摩擦电性能（包括开路峰值电压、峰值电流、峰值功率、转移电荷），考察不同接触材料对摩擦电性能的影响。
1.3.2 接触压强对摩擦电性能的影响
以天平为基底，将测试样品粘贴在天平上，调节触压装置伸缩板步进距离设定压力大小。将接触频率设定为1.6 Hz，测试磨毛涤纶织物（4 cm ×4 cm）在压强为13，50，100，156，231 N/m2下接触分离时产生的开路峰值电压、峰值电流、峰值功率和电荷转移量，考察压强对摩擦电性能的影响。
1.3.3 接触频率对摩擦电性能的影响
在最佳压力下，通过调节伸缩板移动速度调节接触频率并测试接触频率为1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0 Hz 下，涤纶织物（4 cm × 4 cm）接触分离过程产生的开路峰值电压、峰值电流、峰值功率和电荷转移量，考察接触频率对摩擦电性能的影响。
1.3.4 吸湿率对摩擦电性能的影响
在最佳接触频率和压强下，测试磨毛前后涤纶织物（4 cm × 4 cm）在不同回潮率条件下的摩擦电性能，考察吸湿率对摩擦电性能的影响。
测试样品在80 ℃下连续烘干24 h 取出，设此时时间为0 h，随后将样品放在温度（20±1）℃、相对湿度（65±2）%的实验环境下吸湿0.5，1.0，1.5，2.0 h并称重，最后测试上述不同吸湿率的涤纶织物的摩擦电性能。样品吸湿率计算方法为
另外，为模拟梅雨季节高回潮率情况下的摩擦电效果，将普通涤纶和磨毛涤纶织物放在温度（20±1）℃、相对湿度（90±2）%环境中吸湿24 h，最后测试其摩擦电性能。
1.4 涤纶磨毛传感织物的应用
将复合织物分别缝在衣物的腋下、膝盖处，利用6514 型静电计测试人体运动产生的摩擦电信号；
为测试其触控性能，用手指连续触压复合织物，通过6514 型静电计采集手指与传感织物接触分离时产生的摩擦电信号。
2.1 磨毛涤纶织物的表征
为提高涤纶织物摩擦发电效率，利用磨毛法对织物表面进行磨毛整理，磨毛前后织物的表面形貌结构如图3 所示。与未磨毛织物相比，磨毛织物表面出现了大量致密的纤维绒，表明该方法成功制备了磨毛涤纶织物。
图3 磨毛前后涤纶织物表面形貌结构Fig.3 Surface morphology of polyester fabric before and after polishing
2.2 接触材料种类的影响
根据1.3.1 进行实验，结果如表1 所示。由表1可以看出，无论是磨毛和未磨毛涤纶织物，其与不同材料接触织物接触时，摩擦电性能变化规律相似，即羊毛＞芳纶＞棉＞天丝。显然，涤纶与羊毛织物接触时产生的峰值电压、峰值电流、峰值功率和转移电荷量最高。这是因为涤纶与羊毛的摩擦带电序列相距最远，摩擦过程中羊毛最容易失去电子并将电子转移至涤纶织物表面。天丝摩擦电性能较棉纤维差，可能的原因是棉纤维表面相比天丝更加粗糙。
表1 磨毛涤纶与不同接触材料的摩擦电性能Tab.1 Triboelectric properties of milled polyester with different contact materials
2.3 接触压强的影响
根据1.3.2 进行实验（接触材料为羊毛），结果如图4 所示。由图4 可知，接触压强对磨毛前后涤纶织物的摩擦电性能影响规律相同，均呈现先增大后减小趋势。与未磨毛织物相比，磨毛织物表现出更强的摩擦电性能。当压强为156 N/m2时，磨毛涤纶织物的摩擦电性能达到最优，磨毛织物峰值电压为71.7 V、峰值电流为408.42 nA、峰值功率为18.31 × 10-3W/m2，电荷转移量为12.1 nC。当压强超过156 N/m2时，峰值电压、峰值电流、峰值功率和电荷转移量均开始下降，这可能与过高的压强造成织物的结构损伤有关。
图4 压强与摩擦电性能的关系Fig.4 Relationship between pressure and frictional power generation performance
2.4 接触频率的影响
根据1.3.3 进行实验（接触材料为羊毛），结果如图5 所示。由图5 可知，随着接触频率增加，未磨毛与磨毛涤纶织物的输出电压、输出电流、功率、转移电荷量均先增大后减小。其中，当接触频率为1.8 Hz时，摩擦电性能最优。当接触频率低于1.8 Hz 时，涤纶织物表面积累的电荷量较少，峰值电压、峰值电流、峰值功率与接触频率呈正相关。但是，当接触频率超过1.8 Hz 时，涤纶织物表面积累的电荷超过阈值，大量电荷通过尖端放电逸散于空气中，导致能量耗散大大增加，使得摩擦电性能下降。
图5 接触频率与摩擦电性能的关系Fig.5 Relationship between contact frequency and friction power generation performance
综上所述，磨毛后的涤纶织物与羊毛织物摩擦，峰值电压最高可达85.1 V，峰值电流最高可达518.75 nA，峰值功率最高达27.59 × 10-3W/m2，电荷转移量最高达13.6 nC。与未磨毛织物相比，磨毛织物峰值功率提高了281.1%。这是因为涤纶织物磨毛后大大提高了织物的接触面积。
2.5 吸湿率对摩擦电性能的影响
根据1.3.4 进行实验（接触材料为羊毛），结果如表2 和图6 所示。从表2 可以看出，涤纶织物吸湿率较低，即使在温度（20±1）℃、相对湿度（90±2）%的条件下，吸湿率仅为0.70%（未磨毛）和0.63%（磨毛）。尽管如此，吸湿率对涤纶织物的摩擦电性能影响非常明显。从图6 可以看出，随着吸湿率增加，磨毛涤纶和未磨毛涤纶织物摩擦电性能均大大降低。当吸湿率为0%时，输出电性能最好，磨毛涤纶织物峰值电压为85.1 V、峰值电流为518.75 nA、峰值功率为27.59×10-3W/m2，电荷转移量为13.6 nC。随着吸湿率不断增加，涤纶织物电阻不断下降，摩擦产生的静电荷逸散增加，从而导致织物摩擦电性能下降。
表2 不同时间下涤纶织物的吸湿率Tab.2 Moisture absorption rate of polyester fabric at different times
在模拟梅雨季节高回潮率条件下，经高湿环境吸湿后，磨毛涤纶织物吸湿率达到0.63%，对应峰值电压为8.2 V、峰值电流为61 nA、峰值功率0.3 ×10-3W/m2，电荷转移量仅为2.3 nC。显然，高湿环境下的磨毛涤纶织物因吸收大量水分而导致摩擦电性能大幅下降。尽管如此，横向对比来看，磨毛涤纶织物在高吸湿率情况下的摩擦电性能仍优于未磨毛织物。
2.6 应用实例
如图7 所示，将制备的涤纶织物通过针线缝合的方式固定在衣物上，对应人体的不同部位，利用接触摩擦产生的感应电压信号检测人体不同部位的运动状态和运动频率。考虑到最外层服装羊毛织物应用较少，因此在实际测试中选用纯棉织物作为接触材料。如图7（a）所示，将涤纶基自供电传感织物集成到膝盖部位可用于监测膝盖弯曲运动信号。测试发现，膝盖弯曲能够产生6 V 的感应峰值电压，其峰值电压频率与膝盖弯曲频率一致，证明其也可用于监测膝盖弯曲运动状态（静止或处于弯曲动作状态）及弯曲频率。随后将涤纶基自供电传感织物固定于腋下部位，测试胳膊与腋下触压时产生的摩擦电信号（图7（b））。当手臂上下摆动时，两者触压产生的峰值电压超过9 V，高于膝盖弯曲电压。同样，电压频率与手臂摆动频率一致，表明其可用于监测手臂运动状态及手臂上下摆动频率。此外，该传感织物可应用于手写触控输入，当手指与织物接触时，可产生1.5 V 的峰值电压（图7（c）），将该信号输出调制后可用于手写触控等领域[21]。综上所述，涤纶基自供电传感织物能够有效采集人体各个部位的运动信号，有望用于柔性自供能智能可穿戴设备。
图7 生物力学运动传感和监测应用Fig.7 Biomechanical motion sensing and monitoring applications
本文利用磨毛法制备了磨毛涤纶自供能传感织物，考察了接触面料种类、接触压强、接触频率、织物回潮率等因素对摩擦发电性能的影响。研究表明，所制备自驱动摩擦传感织物与不同面料接触分离时输出功率大小为：天丝＜棉＜芳纶＜羊毛。所制备传感织物与羊毛织物摩擦时的峰值电压、峰值电流和峰值功率随着接触压强的增大均呈现先增大后减小的趋势。当压强为156 N/m2时，其峰值电压、峰值电流、峰值功率及电荷转移量分别达到71.7 V、408.42 nA、18.31 × 10-3W/m2和12.1 nC，相比未磨毛织物其功率提高了161.6%。接触频率对传感织物的峰值电压、峰值电流和峰值功率的影响规律相似，即随接触频率的增加先增大后减小。当接触频率为1.8 Hz 时，峰值电压、峰值电流、峰值功率及电荷转移量分别达到85.1 V、518.75 nA、27.59×10-3W/m2、13.6 nC，与未磨毛织物相比，其峰值功率提高了281.1%。涤纶织物吸湿后电阻下降，增大了电荷逸散，因此随着织物吸湿率增加，摩擦电性能逐渐减小。所制备传感织物可负载于膝盖、腋下等部位用于检测人体运动信号，相应峰值感应电压可达6 V和9 V。另外，该复合织物可用于智能触控，当单指接触面料时可产生1.5 V 峰值感应电压。综上所述，所制备涤纶磨毛织物具有良好的摩擦电性能，在智能可穿戴与智能触控等领域具有潜在的应用价值。
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