柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物的制備

李 輝， 王嬌娜， 趙樹(shù)宇 ， 李從舉

(1. 北京服裝學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100029； 2. 中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所， 北京 100083)

近年來(lái)可穿戴電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，使消費(fèi)者在消費(fèi)理念上出現(xiàn)了重大轉(zhuǎn)變，由于可穿戴電子設(shè)備可滿足人們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N需要，如上網(wǎng)、打電話、聽(tīng)音樂(lè)等，以及近些年出現(xiàn)的人體健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)量監(jiān)測(cè)、睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。這些設(shè)備都是通過(guò)APP與手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端設(shè)備相連，而互聯(lián)網(wǎng)使這些電子設(shè)備形成巨網(wǎng)，使人們的生活豐富多彩。

通常情況可穿戴設(shè)備都需要電池作為電源進(jìn)行供電，像蘋(píng)果手表、谷歌眼鏡等，摩擦納米發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)恰巧克服了這個(gè)缺點(diǎn)，通過(guò)2種材料的相互摩擦產(chǎn)生電能為電子設(shè)備供電。傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)的介電材料為商業(yè)化膜，如聚四氟乙烯(PTFE)、熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等，而電極材料通常選擇Ag、Au、Cu、Al等金屬材料[1]。雖然這樣的摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能好，但是由于材料本身不透氣且電極材料堅(jiān)硬；因此，器件整體透氣性差，缺乏柔韌性，不適于用在可穿戴設(shè)備的自供電系統(tǒng)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，近年來(lái)研究者進(jìn)行了以柔性材料代替聚合物商業(yè)薄膜和金屬片組裝柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)的研究。Zhong等[2]首先制備了一種使用碳納米管為電極，棉線和PTFE作為摩擦材料的一種柔性纖維化的摩擦納米發(fā)電機(jī)，并在傳感器方面得到了應(yīng)用。通過(guò)制備碳納米管墨水，然后將棉線浸潤(rùn)到制備好的碳納米管墨水中得到電極材料，并以同樣的方法在碳納米管上制備PTFE摩擦層。其電流只有20 nA，電壓為3 V左右，平均功率輸出密度為0.1 μW/cm2。通過(guò)有機(jī)溶劑制備的材料具有化學(xué)毒性，不適合穿戴。Zhou等[3]通過(guò)使用錦綸布和聚酯纖維布作為摩擦材料，國(guó)產(chǎn)的銀纖維布作為電極，制備出了一種柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)。首先將聚酯纖維布和銀纖維布剪成一定規(guī)格的布條，然后用聚丙烯膠帶將準(zhǔn)備好的銀纖維布條黏貼到2層錦綸布條的正中間，在銀纖維布條上貼上導(dǎo)線，這樣就制備出銀纖維布條在中間，錦綸布條夾在兩邊的柔性發(fā)電機(jī)中，但是，纖維布條在編制過(guò)程中容易發(fā)生扭曲、彎折，可編織性[4]差。

為此，本文提出了一種以纖維為原料、全編織的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)(FTNG)制備方法。通過(guò)將金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲作為電極，將滌綸(PET)和錦綸(PA6)摩擦材料以編織的方式編織到金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲四周，形成一種皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合導(dǎo)電編織繩，然后將復(fù)合導(dǎo)電編織繩編織成布，形成柔性摩擦納米發(fā)電織物，并對(duì)其輸出性能進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 設(shè)計(jì)思路

摩擦納米發(fā)電機(jī)工作方式主要分為接觸分離式[5]、滑動(dòng)式[6]、單電極模式[7]、轉(zhuǎn)盤(pán)式[8]等。其原理主要是靠摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。將2種帶有電極并具有不同帶電特性的高分子材料貼合在一起，在外力的作用下產(chǎn)生形變，使2種材料發(fā)生相互摩擦。由于2種材料具有不同的得失電子能力，會(huì)產(chǎn)生電荷分離形成一個(gè)內(nèi)建電勢(shì)差，2個(gè)電極通過(guò)靜電感應(yīng)在表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，并在摩擦靜電勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)外電路形成電流。

基于該原理，本文選取了摩擦序列表[9]中相距較遠(yuǎn)且具備可編織性的2個(gè)摩擦材料，即PA6縫紉線與PET縫紉線。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知，平紋編織物的接觸面積最大，因此，采用1上1下平紋的編織方法制備柔性全編織摩擦納米發(fā)電機(jī)(FTNG)織物。由于制備的復(fù)合導(dǎo)電編織繩為皮芯結(jié)構(gòu)，即外層為介電層，內(nèi)層為電極，因此，電極層需要與介電層緊密結(jié)合。根據(jù)摩擦序列表，同時(shí)為確保復(fù)絲最細(xì)，編織后的接觸面積最大且在編制過(guò)程中不拉斷的最細(xì)的PA6和PET縫紉線。電極材料則選用金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲，通過(guò)繩索編織機(jī)將電極材料與介電材料編織在一起，然后通過(guò)梭織機(jī)制備成全編織的摩擦納米發(fā)電織物。由于這種柔性全編織摩擦納米發(fā)電制備材料，完全基于紡織用的縫紉線，因此，具有很好的柔性與水洗性且廉價(jià)易得。同時(shí)，通過(guò)編織機(jī)編織而成的表面呈1上1下平紋結(jié)構(gòu)，具有很好的透氣性。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

儀器：6514型靜電計(jì)，美國(guó)Keithley公司；NanoSEM 450型掃描電子顯微鏡，美國(guó)Nova公司；T24D-A型繩索編織機(jī)，溫嶺永祥編織機(jī)械有限公司。

材料：PA6縫紉線、PET縫紉線，均為1 560 dtex，洪發(fā)色紗有限公司；金屬化鍍銀長(zhǎng)絲(2333 dtex)，青島亨通偉業(yè)特種織物科技有限公司。

1.3 試樣的制備

將PA6、PET縫紉線使用繞線機(jī)將其分別纏繞到12根紗管上，然后將纏好PA6縫紉線的紗管安裝到繩索編織機(jī)上，最后將金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲從紗管中間穿過(guò)作為內(nèi)芯。為了防止編織疏松導(dǎo)致電極外露，調(diào)節(jié)繩索編織機(jī)的編織速度，使PA6縫紉線在金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲上完全包覆，形成皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合導(dǎo)電編織繩[11]，作為正極材料。然后以同樣的方式將PET編織到金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲上作為負(fù)極材料。將制備好的復(fù)合紗線使用梭織機(jī)，編織成表面成1上1下平紋柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物。

圖1示出摩擦納米發(fā)電織物結(jié)構(gòu)示意圖。上層為包裹金屬化鍍銀長(zhǎng)絲的PET復(fù)合編織繩編織而成的PET織物，即負(fù)極材料；下層為包裹金屬化鍍銀長(zhǎng)絲的PA6織物，即正極材料。當(dāng)2塊織物摩擦?xí)r，由于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)[12]，會(huì)將運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過(guò)芯層的金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲將能量導(dǎo)出，通過(guò)能量管理為電子設(shè)備供電。

圖1 柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic illustration of FTNG

圖2 柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物的工作原理Fig.2 Working principle of all-braided FTNG

1.4 線性馬達(dá)撞擊測(cè)試

將2種純纖維織物制備成4 cm×4 cm規(guī)格，其中一塊貼附于直驅(qū)線性電動(dòng)機(jī)上。另一塊貼附于固定臺(tái)上，通過(guò)調(diào)節(jié)線性電動(dòng)機(jī)加速度為10 m/s2, 最大速度為6 m/s，水平運(yùn)動(dòng)行程為20 mm，使其頻率為1.5 Hz(該頻率接近人們行走時(shí)的頻率)。以線性電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源使2塊織物在水平方向上進(jìn)行接觸分離。

然后將正極材料與負(fù)極材料內(nèi)部的電極分別與靜電計(jì)的輸入端和接地端相連，測(cè)試該發(fā)電機(jī)在水平方向上接觸分離式的輸出特性，其中包括開(kāi)路電壓、短路電流、電荷轉(zhuǎn)移量。然后通過(guò)并聯(lián)外接電阻測(cè)定該FTNG的內(nèi)阻以及最大輸出功率。

1.5 形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復(fù)合導(dǎo)電編織繩的表面結(jié)構(gòu)。由于復(fù)合導(dǎo)電編織繩通過(guò)繩索編織機(jī)編織而成，因此，表面呈正交結(jié)構(gòu)，增加了其表面粗糙度，這種對(duì)柔性全編織摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出有一定影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 柔性全編織發(fā)電織物工作原理

這種基于紡織紗線的柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物是利用紗線間相對(duì)摩擦而產(chǎn)生電能的，其原理如圖2所示。PA6織物與PET織物在不受任何外力的情況下，因?yàn)闆](méi)有相對(duì)摩擦，所以既不產(chǎn)生摩擦電荷也不產(chǎn)生感應(yīng)電荷[13]，在不施加任何外力狀態(tài)下的2種織物(見(jiàn)圖中a)，一旦施加外力，使2種織物相互擠壓，發(fā)生相對(duì)摩擦，根據(jù)摩擦序列表和摩擦起電效應(yīng)[14]，PA6相對(duì)于PET更容易在表面產(chǎn)生正電荷，PET更容易產(chǎn)生負(fù)電荷，因此，2種織物相互擠壓，摩擦?xí)rPA6帶正電荷，PET帶負(fù)電荷，此時(shí)由于正電荷與負(fù)電荷等量，因此，不產(chǎn)生電流(見(jiàn)圖中b)。當(dāng)2種織物分開(kāi)時(shí)，由于靜電感應(yīng)，被PA6縫紉線包裹的金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲的電子產(chǎn)生負(fù)電荷，PET包裹的金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲產(chǎn)生正電荷，因此，產(chǎn)生由PA6到PET的電流，即由正電荷流向負(fù)電荷(見(jiàn)圖中c)。隨著2種織物的距離增加，感應(yīng)電荷也隨之增加，直至摩擦材料與電極材料的感應(yīng)電荷達(dá)到平衡[15]，此時(shí)由于電荷處于平衡狀態(tài)，電子不發(fā)生轉(zhuǎn)移，因此，不產(chǎn)生電流(見(jiàn)圖中d)。再次施加外力使二者接觸過(guò)程中，感應(yīng)電荷逐漸消失，PA6縫紉線包裹的金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲失去電子，PET縫紉線包裹的金屬化的鍍銀長(zhǎng)絲得到電子，因此，產(chǎn)生由PET流向PA6的電流。正是由于這種距離的變化導(dǎo)致感應(yīng)電荷的變化，使得電流不斷變化。

2.2 形貌分析

圖3示出柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物的掃描電鏡和實(shí)物照片。由圖3(a)可知，該復(fù)合編織繩采用繩索編織機(jī)編織而成，因此，表面呈正交結(jié)構(gòu)。由圖3(b)可知，其中白線與紅線緯線分別為PA6織物與PET織物，經(jīng)線為支撐線。每根緯線中都包覆著鍍銀化的金屬長(zhǎng)絲作為電極。這2塊織物構(gòu)成了FTNG的整體。

圖4 柔性全編織摩擦納米發(fā)電機(jī)織物的輸出特性曲線Fig.4 Electrical outputs curves of all-braided FTNG. (a) Voltage change curve with time； (b) Current change curve with time；(c) Quantity of electric charge curve with time； (d) Voltage and power change curve with time

圖3 柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物照片F(xiàn)ig.3 SEM image (a) and physical map (b) of FTNG

2.3 輸出特性分析

圖4示出柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物的輸出特性曲線。由圖4(a)可知，其在1.5 Hz下的開(kāi)路電壓可達(dá)到20 V。由圖4(b)、(c)可知其短路電流可達(dá)到1.5 μA，電荷量為20 nC。

通過(guò)外加不同阻值的電阻，測(cè)定了該柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物的最大輸出功率，由圖4(d)可看出，其開(kāi)路電壓隨著外加電阻阻值的增大而增大，當(dāng)外界電阻達(dá)到一定值時(shí)，其開(kāi)路電壓出現(xiàn)平臺(tái)，不在變化。而輸出功率隨著外接電阻的增大先升高后降低。在外接電阻約為7×107Ω時(shí)其功率達(dá)到最大值1.6 mW/m2。輸出功率為

式中：R為外接電阻，Ω；r為柔性全編織摩擦納米發(fā)電機(jī)內(nèi)阻，Ω；E為開(kāi)路電壓，V?？芍?，當(dāng)R等于r時(shí)，即外接電阻等于發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻時(shí)，其輸出功率最大。

2.4 應(yīng)用性能分析

圖5示出通過(guò)使用制備的柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物給2.2 μF電容充電[17]曲線。由于柔性摩擦納米發(fā)電織物輸出的是交流電[18]，而日常生活中電子設(shè)備使用的是直流電[19]；因此， 必須將柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物進(jìn)行整流后才可應(yīng)用于電子設(shè)備。圖6為充電電路圖，最右端為柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物，然后與整流橋直接相連后給電容充電，電容兩端接靜電計(jì)，可實(shí)時(shí)觀察電容電量。從圖5可看到，將柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行整流后，450 s可為2.2 μF的電容充電至9 V。

圖5 電容充電曲線Fig.5 Curves of charging capacity

圖6 充電電路Fig.6 Charging circuit

3 結(jié) 論

本文制備的柔性全編織摩擦納米發(fā)電織物材料選用常用的紡織纖維紗線，具有很好的柔軟性、穿戴舒適性和可編織性。通過(guò)使用編織機(jī)將摩擦材料編織到銀纖維電極材料上，形成一種皮芯結(jié)構(gòu)，解決了在編織過(guò)程中電極裸露在外導(dǎo)致短路的問(wèn)題。并且該發(fā)電機(jī)完全采用梭織的方式進(jìn)行織造，可批量化編織成織物，實(shí)現(xiàn)柔性摩擦納米發(fā)電的服飾化。