包纏復合紗摩擦納米發(fā)電機的制備及其電學性能

馬麗蕓， 吳榮輝， 劉 賽， 張玉澤， 汪 軍,3

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 新疆大學 紡織與服裝學院， 新疆 烏魯木齊 830046； 3. 東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620)

智能紡織品作為智能可穿戴產(chǎn)品的一個重要組成部分，占據(jù)至關(guān)重要的地位。隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進技術(shù)的迅速發(fā)展，智能紡織品不僅受到學術(shù)界科學研究者的關(guān)注也受到工業(yè)界的關(guān)注，其被認為是未來紡織發(fā)展的主要方向[1-3]。

智能紡織品主要包含：儲能器件、能量轉(zhuǎn)化器件、傳感器件以及柔性制動器件等[4-5]。納米摩擦發(fā)電機包含在能量轉(zhuǎn)換器件之中，摩擦納米發(fā)電機的概念是2012年由王中林院士課題組首次提出，當2種材料相接觸時，其表面由于接觸起電作用會產(chǎn)生正負靜電荷；而當2種材料由于機械力分開時，接觸起電產(chǎn)生的正負電荷也發(fā)生分離，這種電荷分離會相應地在材料的上下電極上產(chǎn)生感應電勢差。如果在2個電極之間接入負載或者處于短路狀態(tài)，這個感應電勢差會驅(qū)動電子通過外電路在2個電極之間流動。摩擦納米發(fā)電機的目的就在于收集低頻小尺度的機械能轉(zhuǎn)換成電能[6]。該器件的優(yōu)點在于能收集小微環(huán)境中的能量，將其轉(zhuǎn)化為電能，滿足未來遍布全球的小微電子器件的能源需求[7]。

目前，大部分的纖維基或紗線基摩擦納米發(fā)電機是通過直接浸涂等方式制備的，大部分此類器件的纖維和紗線的長度短、線密度大、力學性能差，難以滿足后道織造條件。部分連續(xù)化生產(chǎn)的器件雖有少量報道[8]，但其制備流程復雜，影響了批量化生產(chǎn)的效率。此外，有學者直接通過涂抹糊等方式，對織物進行處理，使織物失去了透氣性、柔軟性以及舒適性等基本性能[9-10]。本文以導電錦綸紗線為基本器件單元，使用滌/棉混紡紗及導電長絲，利用空芯錠花式捻線機，制備了全纖維的皮芯結(jié)構(gòu)包纏紗，即滌/棉紗與導電錦綸長絲包纏復合紗的摩擦納米發(fā)電機，并研究其相關(guān)性能。

1 實驗部分

1.1 材料及設備

滌/棉混紡紗(80/20),19.02 tex；導電錦綸長絲，26.49 tex,青島志遠翔宇功能性面料有限公司，以上紗均未進行進一步的處理。QFB730 K型空芯錠花式捻線機，無錫第七紡織機械有限公司；XL-1A型紗線強力伸長測試儀，上海新纖儀器有限公司；SU-70型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立株式會社；吉時利6514靜電計，美國吉時利儀器公司。

1.2 基于復合紗的摩擦納米發(fā)電機的制備

基于復合紗的摩擦納米發(fā)電機為皮芯結(jié)構(gòu)，使用市售滌/棉混紡紗作為包纏紗，導電錦綸長絲作為芯紗。在空芯錠花式捻線機上加工復合紗，如圖1所示。芯紗(導電長絲)從筒子上退繞后通過導紗架引至羅拉控制區(qū)域，利用控制器對芯紗進行控制，包纏紗(滌/棉混紡紗)在空芯錠的高速旋轉(zhuǎn)下包纏在芯紗表面，形成皮芯結(jié)構(gòu)復合紗，皮芯結(jié)構(gòu)復合紗通過羅拉引導，均勻地收集在收集羅拉上，實現(xiàn)該復合紗的摩擦納米發(fā)電機的連續(xù)化生產(chǎn)。

圖1 空芯錠花式捻線機加工復合紗的示意圖

1.3 測試方法

1.3.1 基本性能測試

對復合紗進行定長稱量后，使用紗線強力伸長測試儀對復合紗的強力進行測試。

1.3.2 摩擦納米發(fā)電機形貌表征

使用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對基于復合紗的摩擦納米發(fā)電機的形貌進行表征。

1.3.3 電學性能測試

在空氣濕度為55%室溫為22 ℃的環(huán)境中，將不同長度的復合紗的摩擦納米發(fā)電機固定在擋板上，將甲基丙烯酸甲酯板固定在線性電動機的一端，如圖2所示。通過設定線性電動機的移動加速度，實現(xiàn)甲基丙烯酸甲酯板與擋板上的摩擦納米發(fā)電機的接觸分離頻率(0.5～2.5 Hz)的控制。將納米發(fā)電機的芯紗與靜電計的測試端連接，利用靜電計對該納米發(fā)電機的短路電流、電荷量以及開路電壓進行測試和讀取。

圖2 摩擦納米發(fā)電機的性能測試示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦納米發(fā)電機形態(tài)分析

使用導電膠帶將包纏復合紗進行固定，再使用刀片制備復合紗截面后粘貼在截面樣品臺上進行觀察。圖3示出復合紗截面形貌的掃描電鏡?？煽闯觯瑴?棉紗包纏在導電長絲上，形成皮芯結(jié)構(gòu)。

圖3 復合紗截面形貌的掃描電鏡照片

通過測長稱量法計算得出該復合紗的線密度為131.52 tex。圖4示出復合紗的表面形貌照片。采用空芯錠花式捻線機制備的包纏結(jié)構(gòu)復合紗的平均直徑約為598 μm。從放大圖也可看出明顯的轉(zhuǎn)曲棉纖維和圓形滌綸長絲，可以確定該包纏紗為滌/棉混紡紗。

圖4 復合紗表面形貌照片

2.2 復合紗力學性能分析

將基于復合紗的摩擦納米發(fā)電機進行力學性能測試，其拉伸斷裂曲線如圖5所示。該曲線呈現(xiàn)初始小幅上凸形，隨后小幅下凹直至斷裂的形狀。同時，該紗具有較好的斷裂強力，能滿足復合紗的日常使用條件。

圖5 基于復合紗的摩擦納米發(fā)電機的力學性能表征

2.3 摩擦納米發(fā)電機原理分析

摩擦納米發(fā)電機的基本工作機制是：具有不同電子親和力的2種材料之間的物理接觸可在接觸表面產(chǎn)生相反的靜電荷，當在外力驅(qū)使下2種材料的表面會發(fā)生接觸分離，此時器件會產(chǎn)生交流電學輸出。摩擦納米發(fā)電機分為垂直接觸分離式、水平滑動式、單電極式以及獨立層式。根據(jù)摩擦納米發(fā)電機的基本概念及分類，本文設計的是單電極式摩擦納米發(fā)電機[11]，其基本工作機制如圖6所示。當在外界機械力作用下，外界材料(以甲基丙烯酸甲酯板為例)接觸發(fā)電機時，由于摩擦起電效應，表面電荷在2種材料之間轉(zhuǎn)移，甲基丙烯酸甲酯板相對滌/棉混紡紗線具有失電子能力，而滌/棉混紡紗由于具有相對強的得電子能力，因此甲基丙烯酸甲酯板表面帶正電，滌/棉混紡紗表面帶負電(見圖6中a)。只要發(fā)生相對分離，就會形成感應電勢差，這將使自由電子從導電長絲流向地面，形成電流(見圖6中b)。當外界材料和發(fā)電機完全分開時，摩擦電荷處于平衡狀態(tài)，因此沒有電學信號輸出(見圖6中的c)。當外界材料再次接觸發(fā)電機，導致電子從地面流動到導電長絲，感應電荷被中和(見圖6中的d)。因此，發(fā)電機通過接觸和分離過程的整個周期循環(huán)，連續(xù)產(chǎn)生交流電輸出。

圖6 復合紗摩擦納米發(fā)電機的基本工作原理

2.4 摩擦納米發(fā)電機性能分析

通過線性發(fā)動機控制在相同力(8 N)、相同接觸分離頻率(1 Hz)的條件下，對不同長度(10、15、20、25 cm)的滌/棉與導電錦綸長絲包纏復合紗的摩擦納米發(fā)電機進行性能測試，結(jié)果如圖7所示。開路電壓隨著長度的增加而增加，其中25 cm長可產(chǎn)生23.44 V的電壓。

與開路電壓的測試方法相同，短路電流和短路電荷量是通過甲基丙烯酸甲酯板與復合紗的接觸分離，并利用靜電計進行測試的。短路電流和短路電荷量隨復合紗長度的增長而增加。以25 cm長絲包纏復合紗所產(chǎn)生的電能為例，短路電荷量和短路電流分別可達7.86 nC和76.19 nA，結(jié)果如圖8、9所示。

通過改變線性發(fā)動機的移動加速度，設置了5個不同的接觸分離頻率，即為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 Hz。隨著頻率的升高，電流量隨之增大。該頻率測試范圍均為低頻率，與人體運動的頻率范圍相似如圖10所示。如果將該復合紗通過織造方法制備成織物或直接縫制在衣服上，通過運動可產(chǎn)生人體與織物之間的摩擦或織物與織物之間的摩擦，也可產(chǎn)生電能的輸出。

圖7 不同長度復合紗摩擦納米發(fā)電機的開路電壓

圖8 不同長度復合紗摩擦納米發(fā)電機的短路電荷量

圖9 不同長度復合紗的摩擦納米發(fā)電機的短路電流

基于復合紗的摩擦納米發(fā)電機在以1 Hz的測試頻率下接觸—分離1 000次，得到的輸出電壓隨循環(huán)次數(shù)的變化如圖11所示。可看出，該摩擦納米發(fā)電機在同樣力作用下循環(huán)1 000次的接觸—分離均能穩(wěn)定在96.35%以內(nèi)，由此可見，其具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

該單電極摩擦納米發(fā)電機可將機械能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可利用手指與復合紗接觸分離產(chǎn)生的電學輸出，對不同的輸出信號大小進行判斷，應用于自供電傳感器。由于手指長時間按壓復合紗會產(chǎn)生“長水平線”信號，手指輕按復合紗則產(chǎn)生點信號，因此，利用手與復合紗的接觸分離，可傳遞具有特定數(shù)字或字母含義的摩斯密碼。使用手指輕按復合紗時，相應的電信號被實時記錄，進一步將水平線及點狀電信號轉(zhuǎn)換為字母信號后，可得到手指傳達的信息，例如一個點信號為字母E，水平線、點的信號為字母N，點、水平線及點的信號為R,水平線、水平線及點的信號為G,水平線、點、水平線及水平線的信號為Y。該方法可將信息通過代碼轉(zhuǎn)換器編譯或解密后用于信息傳遞，如圖12所示。

圖10 在不同測試頻率下復合紗摩擦納米發(fā)電機的短路電流

圖11 復合紗摩擦納米發(fā)電機的穩(wěn)定性

圖12 復合紗摩擦納米發(fā)電機的莫斯密碼應用

將該單電極摩擦納米發(fā)電機粘貼至手指關(guān)節(jié)處，當手指彎曲和伸直時，該發(fā)電機與皮膚接觸和分離，從而產(chǎn)生電壓輸出信號，該信號即可顯示手指彎曲和伸直的情況，因此該發(fā)電機可應用于手指的運動監(jiān)測，如圖13所示。

圖13 復合紗摩擦納米發(fā)電機的手指運動監(jiān)測

3 結(jié) 論

目前基于復合紗的納米發(fā)電機存在線密度大、力學性能差以及連續(xù)化生產(chǎn)不成熟等問題，本文通過空芯錠花式加捻機的加工方法，成功制備了基于滌/棉與導電錦綸長絲包纏復合紗的單電級摩擦納米發(fā)電機。具體研究結(jié)論如下：

1)基于滌/棉紗與導電錦綸長絲包纏復合紗的摩擦納米發(fā)電機為緊密包纏結(jié)構(gòu)紗，該紗的平均直徑約為598 μm，線密度為131.52 tex。

2)本文對不同長度的復合紗的電學輸出性能進行研究得出,25 cm長的復合紗可產(chǎn)生23.44 V的電壓，短路電流和短路電荷量分別為76.19 nA和7.86 nC。

3)該單電極摩擦納米發(fā)電機可通過手指與復合紗的接觸分離，傳遞摩斯密碼的信息；同時，將該單電極摩擦納米發(fā)電機粘貼至手指關(guān)節(jié)處，即可檢測手指關(guān)節(jié)的運動情況。