摩擦發(fā)電裝置制備與分析

東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

能源是現(xiàn)代人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，是自然界中能為人類提供某種形式的能量的物質(zhì)資源，因此可以說能源是現(xiàn)代人類社會賴以生存的基礎(chǔ)[1]。自人類社會產(chǎn)生并發(fā)展以來，能源就與人類文明的發(fā)展密不可分。從工業(yè)革命發(fā)展到現(xiàn)在，在社會科學(xué)的進(jìn)步和人類文明的發(fā)展中，能源都扮演了很重要的角色[2-3]。近幾十年來，各種可攜帶、可移動的電子設(shè)備出現(xiàn)在人們的視線中，大到如平板電腦、手機(jī)、運(yùn)動手表等可隨身攜帶的電子產(chǎn)品，小到各類可穿戴的微型器件等。今后，可穿戴的微型器件必定會與人們的生活緊緊相連，它們無時無刻、無處不在地被人們使用。當(dāng)前科技快速發(fā)展，將出現(xiàn)更多的電子產(chǎn)品，它們需要更多能源為其提供電能。若僅采用傳統(tǒng)的供能方法，必將給移動電子設(shè)備帶來諸多不便，并且存在很大的局限性。因此，有必要開發(fā)便攜式或便于集成到服裝的供能設(shè)備。2006年，WANG等[4]首次提出了納米發(fā)電機(jī)的概念，它被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的一種能量收集裝置，其收集人體的機(jī)械能并轉(zhuǎn)化成電能，供移動電子設(shè)備使用，是一種自供電納米發(fā)電裝置。這種原理及其產(chǎn)品如果能應(yīng)用于服裝，不僅可實現(xiàn)服裝的可穿戴功能化，而且可在電能供應(yīng)方面提供極大的便利。當(dāng)前，為可穿戴微型器件提供持續(xù)、穩(wěn)定的電能成為了一個研究熱點(diǎn)。本試驗首先采用PTFE(聚四氟乙烯)長絲和錦綸長絲織成織物并作為摩擦材料，以銅膜作為電極材料，組成織物型摩擦發(fā)電裝置，測量其輸出性能；然后，通過在棉織物表面涂覆聚氨酯及在聚氨酯中添加銅納米顆粒再涂覆于棉織物表面的兩種方式，分別制備聚氨酯涂層摩擦發(fā)電裝置和聚氨酯/銅納米顆粒涂層摩擦發(fā)電裝置，測量其輸出性能；最后，利用聚氨酯涂層棉織物和PTFE長絲織物制成發(fā)電試驗裝置進(jìn)行發(fā)電試驗。

1 試驗

1.1 織物型摩擦發(fā)電裝置制備與測試

采用PTFE長絲和錦綸長絲織造成織物作為摩擦材料，PTFE長絲纖度為500 den(約55.56 tex)，錦綸長絲細(xì)度為280 den(約31.11 tex)?？椩烨按_定兩種織物的上機(jī)參數(shù)。PTFE長絲織物的經(jīng)緯向緊度要求均為50%，通過計算得到其總經(jīng)紗根數(shù)138、筘號30齒/(5.08 cm)、筘幅11.70 cm；錦綸長絲織物的經(jīng)緯向緊度要求與PTFE長絲織物相同，通過計算得到其總經(jīng)紗根數(shù)154、筘號32齒/(5.08 cm)、筘幅12.20 cm。兩種織物組織均選用平紋。在小樣織機(jī)上進(jìn)行織造，得到PTFE長絲織物和錦綸長絲織物，分別裁剪成尺寸為5.00 cm×5.00 cm的小塊作為上下層摩擦材料，分別貼附一塊銅膜作為電極，銅膜尺寸也為5.00 cm×5.00 cm；然后，在兩塊銅膜的另一面各貼附一塊絕緣塑料板，防止銅模與其他導(dǎo)電物品接觸，因此電子不會從銅膜上逃逸出去，得到上下層摩擦試樣，如圖1所示。

圖1 摩擦試樣實物照片

在上下層摩擦試樣的絕緣塑料板之間的四個角上放置四根高10.0 mm、外徑為10.0 mm的壓縮彈簧，形成織物型摩擦發(fā)電裝置，然后在外電路負(fù)載阻值為100 MΩ、施加作用力為330 N、作用頻率為1.4 Hz、試驗環(huán)境溫度為21 ℃及相對濕度為50%的條件下，對其輸出性能進(jìn)行測試。外部施加壓力裝置采用定制的壓力測試機(jī)，開路電壓、短路電流分別采用ZDS2022PLUS數(shù)字示波器、KEITHLEY 6514可編程靜電計進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖2所示，可以看出開路電壓為200 V、短路電流為3.5 μA。

1.2 聚氨酯涂層摩擦發(fā)電裝置制備與測試

涂層材料采用自購的聚氨酯，基底材料采用棉織物。自制兩塊尺寸為10.00 cm×10.00 cm的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)板。裁剪出三塊尺寸為8.00 cm×8.00 cm的棉織物并稱取其質(zhì)量，分別為0.78、0.77、0.79 g，分別標(biāo)記為1號、2號、3號試樣。

1號試樣涂層步驟：

(1) 將1號試樣放置在鐵質(zhì)托盤中，在試樣上施加一定量的聚氨酯，用小毛刷在試樣的正反面刷涂，使聚氨酯均勻地涂覆在試樣表層并滲透到紗線中。

(2) 將涂覆有聚氨酯的試樣從鐵質(zhì)托盤中取出，放置在一塊PMMA板上，再用另一塊PMMA板將試樣夾持后，將試樣連同兩塊PMMA板放在小軋車上軋壓，將多余的聚氨酯擠壓出去，并保證聚氨酯均勻地涂覆在試樣上。

(a) 開路電壓

(b) 短路電流

(3) 將試樣連同兩塊PMMA板從小軋車上取下，從兩塊PMMA板之間取出試樣并放入烘箱，在70 ℃下烘燥30 min，得到1號涂層試樣，稱得其質(zhì)量為0.90 g，由此可知聚氨酯涂覆質(zhì)量為0.12 g。

2號試樣涂層步驟：

取2號試樣，按1號試樣涂層步驟(1)～(3)進(jìn)行聚氨酯涂層，重復(fù)操作六次，得到2號涂層試樣，稱得其質(zhì)量為1.32 g，由此可知聚氨酯涂覆質(zhì)量為0.55 g。

3號試樣涂層步驟：

(1) 取3號試樣，整理平整后放在塑料培養(yǎng)皿內(nèi)。

(2) 取一個燒杯，放入5.00 g聚氨酯(用天平稱取)，用鋁箔將燒杯口封住，放在超聲波清洗器中超聲處理30 min，去除聚氨酯內(nèi)含有的氣泡。

(3) 取下燒杯口的鋁箔，從試樣中間部位開始，再到其邊部，慢慢地把燒杯中的聚氨酯傾倒在試樣上，其間盡量保證聚氨酯均勻地平鋪在試樣表面。

(4) 將試樣連同塑料培養(yǎng)皿放入烘箱，在70 ℃下烘燥2 h，得到3號涂層試樣，稱得其質(zhì)量為3.43 g，由此可知聚氨酯涂覆質(zhì)量為2.64 g。

將1、2、3號涂層試樣分別作為下層摩擦材料，并裁剪出三塊尺寸為8.00 cm×8.00 cm的銅膜作為電極，分別貼附在三塊涂層試樣的表面，再在銅膜上貼附一塊絕緣塑料板，得到三個聚氨酯涂層下層摩擦試樣(圖3)；同時，裁剪出三塊尺寸為8.00 cm×8.00 cm的PTFE長絲織物作為上層摩擦材料，形成三個上層摩擦試樣，分別與三個聚氨酯涂層下層摩擦試樣并連同彈簧一起組成三個聚氨酯涂層摩擦發(fā)電裝置。最后，在外接電路負(fù)載阻值為30 MΩ、施加壓力為120 N、作用頻率為2.0 Hz、試驗環(huán)境溫度為21 ℃及相對濕度為50%的條件下，對聚氨酯涂層摩擦發(fā)電裝置的輸出性能進(jìn)行測試。

(a) 1號涂層試樣

(b) 2號涂層試樣

(c) 3號涂層試樣

1.3 聚氨酯/銅納米顆粒涂層摩擦發(fā)電裝置制備與測試

選用棉織物為基底材料、聚氨酯為涂層材料，并在聚氨酯中添加銅納米顆粒(其直徑為60～70 nm)。

首先裁剪出四塊尺寸為5.00 cm×5.00 cm的棉織物，分別標(biāo)記為4號、5號、6號、7號試樣。取三根試管，分別放入質(zhì)量為0.01、0.02、0.04 g的銅納米顆粒，再分別倒入10 mL酒精(用量筒量取)，然后用鋁箔封住試管口，置于超聲波振蕩器中超聲處理30 min，得到分散均勻的銅納米顆粒懸浮液。取四個燒杯，分別放入3.00 g聚氨酯(用天平稱取)。將三根試管內(nèi)的銅納米顆粒懸浮液分別倒入其中三個燒杯中，攪拌均勻后用鋁箔封住燒杯口，置于超聲波振蕩器中處理30 min，取出燒杯即得聚氨酯/銅納米顆粒混合液(簡稱“混合液”)。將混合液施加到5號、6號、7號試樣上并在試樣表面均勻鋪開，將另外一個燒杯里的聚氨酯施加在4號試樣上并在試樣表面均勻鋪開，然后放入烘箱，在70 ℃下烘燥2 h，得到四個聚氨酯/銅納米顆粒涂層試樣(銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.00%、0.03%、0.07%、0.13%)。

將四塊聚氨酯/銅納米顆粒涂層試樣分別作為下層摩擦材料，并裁剪出四塊尺寸為5.00 cm×5.00 cm 的銅膜作為電極，分別貼附在四塊聚氨酯/銅納米顆粒涂層試樣的表面，再在銅膜上貼附一塊絕緣塑料板，得到四個聚氨酯/銅納米顆粒涂層下層摩擦試樣(圖4)；同時，裁剪出四塊尺寸為5.00 cm×5.00 cm的PTFE長絲織物作為上層摩擦材料，形成四個上層摩擦試樣，分別與四個聚氨酯/銅納米顆粒涂層下層摩擦試樣并連同彈簧一起組成四個聚氨酯/銅納米顆粒涂層摩擦發(fā)電裝置。最后，在外接電路負(fù)載阻值為30 MΩ、施加壓力為120 N、作用頻率為2.0 Hz、試驗環(huán)境溫度為21 ℃和相對濕度為50%的條件下，對聚氨酯/銅納米顆粒涂層摩擦發(fā)電裝置試樣的輸出性能進(jìn)行測試。

(a) 銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.00%

(b) 銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%

(c) 銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.07%

(d) 銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.13%

2 試驗結(jié)果

2.1 聚氨酯涂覆質(zhì)量對聚氨酯涂層摩擦發(fā)電裝置輸出性能的影響

聚氨酯涂層摩擦發(fā)電裝置輸出性能測試結(jié)果如圖5所示，可以看出，聚氨酯涂覆質(zhì)量從0.12 g提高到0.55 g，開路電壓逐漸增大，輸出性能增強(qiáng)；聚氨酯涂覆質(zhì)量從0.55 g提高到2.64 g，開路電壓逐漸減小，輸出性能下降；聚氨酯涂覆質(zhì)量為0.55 g時，開路電壓最大，達(dá)到400 V，此時的短路電流也最大(4.5 μA)。在棉織物表面涂覆少量聚氨酯時，織物柔軟性較好，微觀上，上、下層摩擦材料之間的接觸點(diǎn)增加，兩者的有效接觸面積也增加，加上聚氨酯的失電子能力較強(qiáng)，故摩擦材料表面產(chǎn)生的電荷量增多，因此開路電壓增大，輸出性能增強(qiáng)。繼續(xù)增加聚氨酯涂覆質(zhì)量，棉織物中被聚氨酯覆蓋的經(jīng)緯紗增多甚至全部被覆蓋，織物表面形成一層較厚的聚氨酯膜，而聚氨酯膜表面較光滑，它與PTFE長絲織物表面接觸時摩擦作用減弱，導(dǎo)致摩擦材料表面產(chǎn)生的電荷量減少，因此開路電壓減小，輸出性能減弱。

(a) 開路電壓(聚氨酯涂覆質(zhì)量0.12 g)

(b) 開路電壓(聚氨酯涂覆質(zhì)量0.55 g)

(c) 開路電壓(聚氨酯涂覆質(zhì)量2.64 g)

(d) 最大輸出電壓

(e) 短路電流(聚氨酯涂覆質(zhì)量0.55 g)

2.2 銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對聚氨酯/銅納米顆粒涂層摩擦發(fā)電裝置輸出性能的影響

聚氨酯/銅納米顆粒涂層摩擦發(fā)電裝置輸出性能測試結(jié)果如圖6所示，可以看出，四種聚氨酯/銅納米顆粒涂層摩擦發(fā)電裝置的開路電壓分別為120、140、180、215 V，這表明提高銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，發(fā)電裝置的開路電壓隨之上升；銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大(即0.13%)的發(fā)電裝置的輸出電壓比未添加銅納米顆粒(即銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.00%)的發(fā)電裝置高出0.79倍。

聚氨酯涂層摩擦發(fā)電裝置可以看作一個電容器，添加銅納米顆粒后可看作是兩個電容器的組合：

(1) 一個電容器由上電極(即上層摩擦材料上貼附的銅膜)、上下層摩擦材料之間的空氣層及下層摩擦材料表面添加有銅納米顆粒的聚氨酯表層膜構(gòu)成，它的電容可以視為不變。

(a) 開路電壓(銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.00%)

(b) 開路電壓(銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%)

(c) 開路電壓(銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.07%)

(2) 另一個電容器由下電極(即下層摩擦材料貼附的銅膜)、下層摩擦材料表面加有銅納米顆粒的聚氨酯表層膜及兩者之間的聚氨酯膜組成，它的電容：

(1)

其中：ε為介電常數(shù)；s為接觸面積(mm2)；d為聚氨酯膜有效厚度(mm)。

當(dāng)銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，聚氨酯膜有效厚度d減小，由式(1)可知，電容C增大，表明摩擦材料表面的電荷量增加，故添加銅納米顆粒能夠提升摩擦納米發(fā)電裝置的輸出性能。

3 發(fā)電試驗

發(fā)電試驗裝置(圖7)主要包含三個部分：第一部分是上下兩塊絕緣材料，裁剪成鞋墊形狀；第二部分為間隔材料，它的作用是將上下層摩擦材料分離，并在試驗對象行走過程中保證上下層摩擦材料周期性地接觸與分離，因此采用彈性良好的海綿或彈簧；第三部分是兩層摩擦材料，其中上層摩擦材料為PTFE長絲織物，下層摩擦材料為聚氨酯涂層棉織物。將發(fā)電試驗裝置放置在鞋跟處，電極材料為銅膜，進(jìn)行發(fā)電試驗。

圖7 發(fā)電試驗裝置示意

發(fā)電試驗裝置按間隔材料不同有海綿型和彈簧型兩種。

(1) 間隔材料采用海綿，上層摩擦材料是尺寸為6.00 cm×6.00 cm的PTFE長絲織物，下層摩擦材料是相同尺寸的聚氨酯涂層棉織物，測得最大開路電壓為420 V，如圖8所示。

圖9 海綿型發(fā)電試驗裝置試驗結(jié)果

(2) 間隔材料采用彈簧(不銹鋼材質(zhì)，線徑0.8 mm，外徑8.0 mm，高度10.0 mm)。將四根相同的彈簧放在摩擦材料的四個角上起支撐作用，其中上層摩擦材料是6.00 cm×6.00 cm的PTFE長絲織物，下層摩擦材料是聚氨酯涂層棉織物，試驗結(jié)果如圖9所示，開路電壓、短路電流的最大值分別為430 V、4.0 μA。

(a) 開路電壓

(b) 短路電流

4 結(jié)論

本試驗首先利用錦綸長絲織物和PTFE長絲織物分別作為上下層摩擦材料制成摩擦發(fā)電裝置，其輸出性能較弱；然后，以棉織物為基底材料，通過聚氨酯及聚氨酯中添加銅納米顆粒兩種方法對棉織物表面進(jìn)行涂層處理，分別制成聚氨酯涂層摩擦發(fā)電裝置和聚氨酯/銅納米顆粒涂層摩擦發(fā)電裝置，其輸出性能均有提高；最后，采用兩塊絕緣材料，裁剪成鞋墊形狀，與聚氨酯涂層摩擦發(fā)電裝置組合在一起制成發(fā)電試驗裝置，放在鞋跟處，進(jìn)行發(fā)電試驗。試驗發(fā)現(xiàn)：

(1) 在棉織物表面涂覆聚氨酯，聚氨酯涂覆質(zhì)量從0.12 g增加到0.55 g，摩擦發(fā)電裝置的輸出性能增強(qiáng)；聚氨酯涂覆質(zhì)量從0.55 g提高到2.64 g，摩擦發(fā)電裝置的輸出性能下降；聚氨酯涂覆質(zhì)量為0.55 g時，開路電壓和短路電流均最大，分別為400 V、4.5 μA。

(2) 聚氨酯中添加銅納米顆粒再涂覆于棉織物表面，所得摩擦發(fā)電裝置的輸出性能隨著銅納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增強(qiáng)。

(3) 發(fā)電試驗裝置按間隔材料不同有海綿型和彈簧型兩種。海綿型發(fā)電試驗裝置產(chǎn)生的最大開路電壓為420 V；彈簧型發(fā)電試驗裝置產(chǎn)生的最大開路電壓為430 V，此時短路電流為4.0 μA。兩種發(fā)電試驗裝置都表現(xiàn)出良好的耐久性。