芳綸簇絨織物摩擦發電性能測試分析

孫 通 吳雙全 李 雅 徐思峻 張成蛟

（1.南通大學，江蘇南通，226019；2.曠達汽車飾件系統有限公司，江蘇常州，213000）

隨著5G技術的不斷發展，智能可穿戴設備越來越受人們歡迎。人體運動過程（呼吸、奔跑等）中會產生大量的機械能，其中一部分在維持生命活動中消耗，另一部分通過對外界做功而損耗。如果能將散失的部分機械能轉化為供電的電能，則可以促進智能可穿戴設備的發展。

摩擦納米發電機的問世讓人體運動產生的機械能轉換成電能成為可能。摩擦納米發電機是電負性差異較大的兩種材料，在接觸與分離的過程中，靜電感應作用迫使電荷發生定向移動產生電勢，從而將機械能轉換成電能［1-2］。紡織基摩擦納米發電機一般是以纖維或織物為基本組織單元的一種較為新型的摩擦納米發電機，具有可折疊、易彎曲、耐磨損、穿著舒適等特性，更有利于從人體周圍環境、人體運動中獲取并收集能量［3-5］。目前紡織基摩擦納米發電機包含纖維基摩擦納米發電機和織物基摩擦納米發電機兩類，兩類相比較，織物基摩擦納米發電機輸出電學性能較高，結構與性能更符合可穿戴設備的要求，受到較多研究者關注。例如：WANG K等在錦綸表面添加一層十六烷液膜，制備了一種基于十六烷夾層結構的摩擦納米發電機，其最大輸出電壓和功率分別是傳統摩擦納米發電機的2.3倍和10.9倍［6］。WANG J等將多孔柔性層、PDMS板和防水柔性導電織物進行熱壓組合，形成三維單電極摩擦納米發電機，該發電機不僅提高了摩擦電學輸出，還有良好的耐濕性能［7］。SU M等將碳納米管與絲素蛋白混合溶劑噴涂于用靜電紡絲技術制備的絲纖維膜表面，并將纖維膜編織成紡織品，從而獲得了具有微層狀結構的摩擦納米發電機，該摩擦納米發電機具有良好的舒適性以及較好的電學輸出性能［8］。可以看出，上述研究主要從材料結構入手，通過提高納米發電機電荷轉移效率提高摩擦發電功率，材料結構往往較復雜。實際上，提高摩擦納米發電機電學性能不僅要提高電荷轉移效率，更重要的是從源頭上提高摩擦材料間的接觸面積。受限于材料本身彎曲剛度和粗糙度，材料間的接觸面積遠低于實際接觸面積，大大降低了材料間的電荷轉移量。目前，受限于材料二維接觸面自身缺陷，通過提高材料間的有效接觸面積提高發電效率的研究較少，且難度較大［9］。

自然界中壁虎的腳掌具有較強的黏附力，主要源于其腳掌亞微米級的絨毛結構。該絨毛與材料接觸時表現出了超高的自適應性，絨毛尖端能夠探入并接觸到墻體凹凸結構內部，從而大大提高兩者間的接觸效率［10］。受此啟發，我們利用纖維絨結構模擬壁虎腳掌結構制備具有良好適應性的織物摩擦發電機。芳綸1414具有優異的耐磨性、耐高溫性、耐彎曲性能以及優異的摩擦發電性能，以其為摩擦層。將芳綸1414紗線穿入柔性不銹鋼金屬板中制備芳綸紗線簇絨織物，研究簇絨織物摩擦發電性能，為提高摩擦發電機發電效率提供新的思路。制備的織物在自供能智能感應地毯、智能可穿戴服裝、智能感應玩具等領域有潛在的應用價值。

1 試驗部分

1.1 材料與試劑

芳綸1414紗線（線密度14.5 tex×2）；芳綸1313織物以及芳綸1414織物（經緯紗線密度均為14.5 tex×2，煙臺泰和新材料股份有限公司）；羊毛織物、棉織物、錦綸織物和滌綸織物的單位面積質量均為200 g/m2左右，經密緯密不同（市售）；柔性金屬網（25目，市售）；丙酮（分析純，上海凌峰化學試劑有限公司）。

1.2 試驗設備

JC101型電熱鼓風干燥箱（南通嘉誠儀器有限公司），SHA-CA型水浴恒溫振蕩器（江蘇科析儀器有限公司），6514型可編程靜電計（美國吉時利儀器公司），自制接觸分離設備。

1.3 樣品制備

如圖1所示，將適量根數芳綸1414紗線穿入2 cm×2 cm的柔性金屬網網眼中，得到纖維簇絨織物。將簇絨織物浸于丙酮溶液中，磁力攪拌12 h后用去離子水多次洗滌，置于80℃烘箱中充分干燥，最后置于避光處保存備用。每個網眼所含紗線根數為絨毛密度，單位為根/眼；紗線伸出金屬網的長度為絨毛長度。

圖1 樣品制備流程圖

1.4 摩擦發電性能測試

如圖2所示，利用單電極法將被測織物與地線相連。在室內環境（溫度25℃，相對濕度45%）中采用6514型可編程靜電計測試簇絨織物與不同織物接觸分離產生的電壓、電流和功率峰-峰值，計算各峰-峰值平均值。測試壓力和測試頻率分別為0.74 N和2 Hz。利用單因素變量控制方法探究絨毛長度、絨毛密度、纖維吸濕回潮率和接觸材料種類對摩擦發電性能的影響。

圖2 測試原理圖

絨毛長度、絨毛密度對摩擦電性能的影響。將絨毛長度分別為0.2 cm、0.8 cm、1.4 cm和2.0 cm的芳綸1414紗線分別穿入2 cm×2 cm的柔性不銹鋼金屬網板中制得樣品，其中絨毛密度為10根/眼。經充分烘干后，測試樣品與羊毛織物接觸分離產生的摩擦發電性能；以最佳的絨毛長度為依據，制備絨毛密度分別為6根/眼、8根/眼、10根/眼、12根/眼的2 cm×2 cm簇絨織物，經充分烘干后測試樣品與羊毛織物接觸分離產生的摩擦發電性能。

纖維吸濕回潮率對摩擦發電性能的影響。以最佳絨毛長度和絨毛密度為依據制備2 cm×2 cm簇絨織物，將充分烘干的簇絨織物置于室內環境中，通過質量變化衡量吸濕回潮率變化情況，并測試簇絨織物在不同吸濕回潮率條件下與羊毛織物接觸分離產生的摩擦發電性能。

接觸面對摩擦發電性能的影響。以最佳絨毛長度和絨毛密度為依據制備2 cm×2 cm簇絨織物，充分烘干后，測試簇絨織物分別與羊毛織物、棉織物、錦綸織物、滌綸織物、芳綸1313織物以及芳綸1414織物接觸分離時產生的摩擦發電性能。

2 結果與分析

2.1 試驗原理與測試分析

由常見材料的摩擦帶電序列可知［11］，在與其他材料摩擦的過程中，酰胺鍵更趨向于失去電子而使材料帶正電荷，而芳綸1414分子鏈內部擁有至少85%的酰胺鍵。因此，可以推斷出芳綸1414具有良好的摩擦發電性能。除此之外，芳綸1414制備過程中的牽伸促使大分子鏈結晶區中的酰胺鍵偶極子呈現平行排列狀態，因此芳綸1414有一定的壓電性能［12］。在觸壓過程中，纖維絨發生彎曲，破壞了酰胺鍵偶極子平行排列的狀態，纖維絨由此發生壓電效應。彎曲根數越多，產生壓電效應的絨毛根數越多，絨毛織物壓電性能越突出。

摩擦發電機的基本工作模式包括垂直接觸-分離模式、水平滑動模式、單電極模式以及獨立層模式［13］。在單電極模式下，摩擦層材料與主材料相互接觸時兩材料帶等量相反的電荷，此時開路電壓為0 V；當兩材料相互分離，主材料電極與接地參考電極形成一定電勢差，由此形成開路電壓，且電勢差會驅動主材料上的電荷流向參考電極，從而產生瞬時電流；當材料由分離開始相互接觸時，主材料電極與接地參考電極電勢差減小，移動的電荷回到主材料電極，由此再次產生開路電壓以及瞬時電流。單電極模式只有一個電極且電極接地，簡化了摩擦發電機的結構，相比于其他三種工作模式，單電極模式更適合移動場景使用［14-16］。

2.2 絨毛長度和絨毛密度的影響

測試的絨毛長度與摩擦發電性能的關系如圖3所示。隨著絨毛長度的增加，簇絨織物的電壓、電流以及功率峰-峰值平均值均呈先增大后減小的趨勢。當絨毛長度為0.8 cm時，簇絨織物的輸出電壓峰-峰值平均值達到54.68 V，輸出電流峰-峰值平均值達到575.97 n A，輸出功率峰-峰值平均值達到7.87 W/m2，遠大于其他規格簇絨織物。其主要原因可能是：絨毛長度為1.4 cm以及2.0 cm時，經儀器觸壓后的絨毛呈倒伏狀，無法重新與羊毛織物充分接觸，從而減少了羊毛織物表面與簇絨織物絨毛的摩擦。除此之外，經觸壓后，保持倒伏狀態的絨毛在后續觸壓過程中，絨毛的彎曲根數有所下降，且絨毛長度越長，彎曲根數越少，從而降低了芳綸的壓電效應。而當絨毛長度為0.2 cm時，在相同壓力的作用下，絨毛與羊毛織物表面摩擦程度以及絨毛自身的彎曲根數均未達到較好水平。因此可以推斷出，在外力作用下，當絨毛長度為0.8 cm時，絨毛與羊毛織物表面的摩擦程度較高，且絨毛自身壓電性能較好。

圖3 絨毛長度與摩擦發電性能的關系

將絨毛長度為0.8 cm，絨毛密度分別為6根/眼、8根/眼、10根/眼、12根/眼的芳綸簇絨織物與羊毛織物接觸分離，并進行電學性能測試，結果如圖4所示。可以看出，隨著絨毛密度的增大，簇絨織物的輸出電壓、電流以及功率峰-峰值平均值均呈先增大后減小的趨勢。當絨毛密度為10根/眼時，簇絨織物擁有最大的電壓、電流以及功率峰-峰值平均值。其可能的原因在于：當絨毛密度為6根/眼和8根/眼時，簇絨織物與羊毛織物表面的摩擦程度較低，且隨著絨毛密度的增大，摩擦程度進一步提高。當絨毛密度為12根/眼時，由于絨毛密度太大，絨毛之間運動受限制，從而減少了絨毛之間摩擦現象的發生，降低了絨毛的彎曲根數。而當絨毛密度為10根/眼時，簇絨織物的絨毛與羊毛織物之間有良好的接觸，且絨毛有良好的運動空間，便于絨毛受力彎曲，因此該條件下的簇絨織物具有良好的摩擦發電和壓電性能。

圖4 絨毛密度與摩擦發電性能的關系

2.3 芳綸1414吸濕回潮率的影響

將絨毛密度10根/眼、絨毛長度0.8 cm的芳綸簇絨織物與羊毛織物接觸，并進行不同回潮率下的摩擦發電性能測試，結果見表1和圖5。

表1 不同時間條件下芳綸簇絨織物質量和回潮率

從表1可以看出，隨著時間的延長，芳綸1414簇絨織物的質量逐漸增加，其吸濕回潮率也逐漸增加。回潮率的增加對材料的摩擦發電性能有顯著影響［17］。從圖5可以看出，隨著回潮率的增加，簇絨織物輸出電壓、電流以及功率峰-峰值平均值均出現先增大后減小的趨勢。如圖5（b）所示，當回潮率小于0.22%時，簇絨織物輸出功率峰-峰值平均值隨著回潮率的增加而增加，其可能原因為：當回潮率較低時，纖維絨之間沒有形成連續水膜，不連續水膜為相互摩擦的絨毛表面產生的電荷提供了多條移動通道，促進電荷在材料表面轉移，從而使簇絨織物的摩擦發電輸出功率有所提升。而當回潮率大于0.22%時，纖維絨之間形成了連續水膜，隔斷了電荷在材料之間的有效傳輸，且導走一部分摩擦靜電荷，從而使簇絨織物的摩擦功率下降［18-19］。

圖5 回潮率與摩擦發電性能的關系

2.4 不同接觸面的影響

將絨毛密度10根/眼、絨毛長度0.8 cm的芳綸簇絨織物分別與羊毛織物、棉織物、錦綸織物、滌綸織物、芳綸1313織物以及芳綸1414織物接觸分離，并進行電學性能測試，電壓峰-峰值平均值依次為51.15 V、34.99 V、40.74 V、50.78 V、28.80 V、3.16 V，電流峰-峰值平均值依次為495.52 n A、330.83 n A、313.84 n A、570.50 n A、220.18 n A、14.47 n A，功率峰-峰值平均值依次為6.34 W/m2、2.89 W/m2、3.20 W/m2、7.24 W/m2、1.59 W/m2、0.01 W/m2。

可以看出，與滌綸織物和羊毛織物接觸時，芳綸簇絨織物具有較高的輸出電壓和輸出電流，與錦綸織物和棉織物次之，而與芳綸1313織物和芳綸1414織物接觸時，輸出電壓以及輸出電流較小。可能的原因為：在相同摩擦條件下，羊毛與滌綸更容易與外界發生電子交換，而在相同的溫濕度條件下，羊毛的吸濕率遠大于滌綸，羊毛表面的連續水膜會導走部分靜電荷［19］，所以當簇絨織物與羊毛接觸時其產生的輸出電流和輸出功率略低于滌綸織物。芳綸與不同面料摩擦發電功率從大到小依次為滌綸織物、羊毛織物、錦綸織物、棉織物、芳綸1313織物、芳綸1414織物。

3 結論

本研究將芳綸1414紗線穿入不銹鋼網板中制備了簇絨織物，通過調整絨毛長度、絨毛密度以及不同接觸面材料，用單電極測試模式探究簇絨織物的摩擦發電性能，得出以下結論。

（1）當絨毛長度為0.8 cm且絨毛密度為10根/眼時，簇絨織物具有最佳的摩擦電學性能，與滌綸織物接觸輸出電壓、電流以及功率峰-峰值平均值分別為50.78 V、570.50 n A以及7.24 W/m2。

（2）隨著回潮率的增加，簇絨織物輸出電壓、電流以及功率峰-峰值平均值均呈先增大后減小趨勢。當回潮率為0.22%時，簇絨織物具有最佳的輸出功率，表現出較好的電學輸出特性。

（3）與不同面料摩擦，發電功率從大到小依次為滌綸織物、羊毛織物、錦綸織物、棉織物、芳綸1313織物、芳綸1414織物。