絨面織物基摩擦電式壓力傳感器的制備及其應用

房翔敏 曲麗君 田明偉

摘 要：傳統壓力傳感器普遍存在可穿戴性差、電源供電不便等瓶頸問題，限制了其在可穿戴領域的應用，因此，研發具有柔性可穿戴和自供電功能的傳感器是亟需突破的新策略。受冬季絨面衣物與人體摩擦易產生靜電的啟發，將摩擦納米發電技術與柔性紡織材料相結合，提出了一種基于紡織結構的新型摩擦納米發電機。以不同絨面織物作為摩擦層材料，制備了一種搖粒絨織物基摩擦電式自供電壓力傳感器（f-TENG），研究絨面結構類型對摩擦電輸出性能的影響規律。f-TENG的絨面結構和高比表面積賦予了其良好的可水洗、連續化生產、低成本的特點，以及出色的電輸出性能（40 V，5 cm×5 cm），可以點亮50個串聯的LED燈泡。f-TENG可被用于多種應用場景中，采集人體運動的能量產生電信號，展示了紡織品在自供電智能可穿戴設備方面的應用潛力。

關鍵詞：絨面織物；摩擦納米發電機；智能可穿戴設備；自供電；傳感器

中圖分類號：TS101.8

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）04-0183-09

收稿日期：2022－10－18

網絡出版日期：2023－01－06

基金項目：國家重點研發計劃項目（2022YFB3805801、2022YFB3805802）；山東省重大科技創新工程（2019JZZY010335、2019JZZY010340）；山東省青創科技創新團隊（2020KJA013）；國家自然科學基金項目（22208178）；山東省自然科學基金項目（ZR2020QE074）；紡織行業智能紡織服裝柔性器件重點實驗室開放課題（SDHY2223）

作者簡介：房翔敏（1998—），女，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事智能可穿戴紡織品方面的研究。

通信作者：田明偉，E-mail：mwtian@qdu.edu.cn

近年來，隨著5G技術的不斷發展，智能可穿戴設備越來越受到關注。人體運動可產生大量的機械能，將損失的人體機械能轉換為電能，是解決智能可穿戴設備外接電源造成使用不便的方案之一［1］。摩擦納米發電機（TENG）的問世讓人體運動產生的機械能轉換成電能提供了新策略［2］。TENG通過摩擦電和靜電效應的耦合，可以采集環境中的機械能并將其轉化為電能，但最初的TENG受材料和制作工藝的限制，可穿戴性差［3］。紡織品和 TENG 的結合是可穿戴自供電電子產品的重要解決方案，紡織基TENG具有透氣性好、柔性佳、易于集成到智能可穿戴設備中等優勢，在新一代可穿戴電子產品中具有廣闊的應用前景［4］。

紡織基TENG是一類以纖維或織物為基本結構單元的新型摩擦納米發電機，具有柔性好、透氣性好、耐磨損、穿著舒適等優勢，更有利于從環境、人體運動中收集能量［5］。紡織基TENG根據紡織結構，可分為紗線基TENG和織物基TENG兩類，紗線基TENG的體積小且變形性較好，其電輸出性能相對較低。利用紡織技術進行結構設計，將多個紗線基TENG組合成織物基自供電傳感器，可以提高整體的電輸出性能［6］。劉運濤［7］將摩擦納米發電機和氣輔靜電紡絲技術結合，制作了滾筒摩擦納米發電機作為氣輔靜電紡絲的接收器和高壓電源。Zhang等［8］采用包芯紡紗技術，制備了一種基于費馬螺旋的耐磨防水可拉伸摩擦電紗線傳感器。Chen等［9］采用3D打印技術，制備了具有多層同軸結構的可拉伸彈性TENG纖維，用作觸覺傳感TENG電子皮膚。上述研究以TENG結構的設計和材料的選擇為側重點，提高了TENG的電荷轉移量和電輸出能力，但是結構和制備工藝較為復雜，成本較高，可穿戴性較差。為提高TENG的電輸出，除了提高電荷轉移效率外，還可以增加摩擦材料之間的有效接觸面積［10］。受限于摩擦層材料的柔性和粗糙度，TENG的有效摩擦層接觸面積小于實際接觸面積，降低了兩摩擦層間的電荷轉移量。目前，大多數紡織基體的結構為低表面積的二維平面，通過改變紡織基體摩擦層結構以提高電輸出的研究較少［5］。冬季各類商用絨面織物制成的服裝與人體以及其他服裝摩擦后易產生電火花，證明絨類織物具有一定的摩擦發電性能。絨類織物具有優異的耐磨性、保暖性、可水洗性，還具有低廉的生產成本，因此各類絨面織物是織物基TENG摩擦層的理想候選產品。本文以冬季絨面織物為基底，結合摩擦納米發電機技術，構筑了一種新型的基于紡織面料的柔性摩擦納米發電機，以搖粒絨為主要研究對象，并通過制備工藝的改善，獲得了可清洗、可連續生產、成本低廉的摩擦電式絨面織物基自供電壓力傳感器。

1 實 驗

1.1 實驗材料

搖粒絨織物（200 g/m2，厚度2 mm，宿遷市愛淘貿易有限公司）；法蘭絨織物（500 g/m2，厚度5 mm，紹興市喜諾蘭紡織有限公司）；仿兔絨織物（600 g/m2，厚度7 mm，天津最舒意地毯有限公司）；尼龍織物（365 g/m2，厚度0.5 mm，廣州市浪界展現有限公司）；柔性導電織物（鍍鎳導電非織造布，方阻0.8 Ω/m2；35 g/m2，厚度0.2 mm，青島志遠翔宇功能性面料有限公司）；柔性熱熔織物（聚酯纖維非織造布，24 g/m2，厚度0.05 mm，北京市鄭氏雙龍貿易商行）；PTFE膜（厚度0.1 mm，上海深宸橡塑制品廠）。

1.2 實驗設備

靜電計（6514B型，美國吉時利儀器公司），直線電機（36V型，廣東盛達機械有限公司），商用洗衣機（EB80M30Mate1型，海爾集團），電熱鼓風干燥箱（JC101型，南通嘉誠儀器有限公司），熱壓機（TY-420型，麥客儀器有限公司），電腦透濕測試儀（YG601H-Ⅱ，上海雙旭電子有限公司）。

1.3 樣品制備

將4種用作摩擦層的織物（見圖1）與導電織物采用商用洗衣液在商用洗衣機中水洗充分干燥后，裁剪為5 cm×5 cm的尺寸。導電織物作為電極，絨面織物作為表面摩擦層，采用熱壓機在180 ℃下將三明治結構的f-TENG壓緊10 min，得到三明治結構的摩擦納米發電機。熱壓前后織物的SEM照片和光學顯微鏡照片如圖2所示，熱壓前后4種織物的表面微觀結構沒有明顯變化，織物表面的纖維沒有明顯損傷。由于摩擦層采用的四類織物為成熟的商業用織物，具有良好的耐水洗、耐熨燙以及耐磨性能，因此能夠耐受高溫高壓加工過程。

1.4 性能測試

將絨面織物基TENG與PTFE膜的電極之間以導線相連接，采用雙電極法接觸分離測試不同種類的織物基TENG的開路電壓和短路電流等電輸出性能。在室溫25 ℃，相對濕度50%的環境中采用6514型可編程靜電計測試4種TENG接觸分離產生的開路電壓和短路電流，測試接觸力和測試頻率分別為5 N和1 Hz。選出電輸出性能最佳的TENG后，在接觸力5 N、測試頻率由0.5 Hz增加到2 Hz進行電輸出性能測試，以探究接觸頻率對開路電壓和短路電流等電輸出性能的影響。

利用單因素變量控制方法探究絨面種類、頻率等因素對絨面織物基TENG摩擦發電性能的影響。采用電腦透濕儀測試TENG的透濕量，探究其穿戴舒適性。探究絨面織物基TENG在人體運動信號監測方面的應用。

2 結果與分析

2.1 試驗原理

由常見材料的摩擦帶電序列［11］可知，在上下摩擦層摩擦的過程中，以滌綸為原材料制備的3種絨面織物和尼龍織物更趨向于失去電子而帶正電荷，PTFE趨向于得到電子而帶負電荷。在摩擦過程中，織物的表面越粗糙，比表面積越高，摩擦電荷密度越高，摩擦產生的電壓越高。摩擦發電的循環過程對應于兩摩擦層之間的接觸分離運動［10］。上下織物層相互接觸時，在臨界面上會產生相同數量的極性

相反的電荷;當兩者開始分離時，靜電感應使得正電荷和負電荷分別在底部和頂部的織物電極上感應;二者之間電位差的積累產生電子移動，形成瞬時電流。織物層完全分離時，正電荷和負電荷達到完全平衡;兩織物層彼此接近，累積的感應電荷通過外部負載回流，以補償電位差;其發電原理與測試原理如圖3所示［12］。目前，摩擦電型傳感器可按照工作模式分為4類：接觸分離式（CS）、橫向摩擦式（LS）、單電極式（SE）和獨立式（FM）［10］。通過結構設計，f-TENG可以不同工作模式下采集機械能產生電信號。

2.2 不同種類織物對電輸出性能的影響與分析

作摩擦層的織物種類與摩擦發電性能的關系如圖4所示。在接觸材料、接觸頻率、接觸面積相同的情況下，搖粒絨基TENG的電壓電流最高，瞬時電壓和電流峰值分別達到了40 V和300 nA。其次是尼龍基TENG，法蘭絨織物基TENG，電輸出性能最弱的是仿兔絨基TENG。可以從摩擦電序列和織物的結構和厚度來解釋。

由摩擦帶電序列［11］可知，尼龍的電正性強于滌綸，更容易失電子帶正電荷，因此在負摩擦層相同的情況下，尼龍織物基TENG的電輸出高于一般的滌綸絨面織物基TENG。本文采用的尼龍織物、仿兔絨織物、法蘭絨織物都是機織物，割毛拉絨工藝賦予了仿兔絨和法蘭絨織物長絨毛結構，提高了二者的粗糙程度和表面積，然而，仿兔絨和法蘭絨織物的絨面結構是由若干直立的纖維形成的，當仿兔絨織物或法蘭絨織物與負摩擦層接觸時，被壓緊的纖維呈倒伏狀，壓住鄰近纖維，使得接觸面上的纖維不能與負摩擦層充分接觸［5］，從而減少了這兩種絨織物表面與負摩擦層的有效摩擦面積，無法充分增加電荷密度。搖粒絨織物為針織物結構，其絨面結構是由多根纖維抱合成團后形成的若干絨顆粒，具有良好的彈性形變［13］。當搖粒絨織物與負摩擦層接觸時，先接觸到負摩擦層的成團絨毛顆粒被壓緊，隨著接觸碾壓過程，接觸負摩擦層的絨顆粒接連被向下壓緊，不向側面倒伏，負摩擦層能有效接觸到搖粒絨織物表面上近乎全部的絨顆粒，大大提高了摩擦面積和電荷轉移密度。因此，同樣由滌綸材料制備的搖粒絨織物，由于結構優勢，在電輸出性能上優于摩擦電序列上的電子能力更強的尼龍織物。其結構可能為紡織基TENG的結構創新提供新的啟示。此外，絨織物的厚度對TENG的電輸出性能也有影響，由圖5可知，滌綸絨織物的厚度越厚，電輸出性能越低。

由于搖粒絨基TENG的電輸出能力最強，在后續實驗中采用搖粒絨基TENG探究頻率對織物基TENG輸出的影響，并將其作為一種自供電應力傳感器和能源采集器，探究其供電能力和采集人體運動信號能力。

2.3 接觸頻率對搖粒絨基TENG電輸出性能的影響與分析

將搖粒絨基TENG與PTFE膜通過雙電極模式相連，在5 N大小的接觸力，5 cm×5 cm接觸面積下，以不同的頻率發生接觸分離，進行不同接觸頻率下的摩擦發電性能測試，探究頻率對開路電壓和短路電流等電輸出性能的影響。

由圖6可知，隨接觸頻率從0.5 Hz增加到2 Hz，搖粒絨基TENG的電壓和電流呈現出增加的趨勢，二者為正相關關系。當接觸頻率增大到2 Hz時，峰值電壓和峰值電流分別達到了50 V和200 nA。原因可能是當接觸頻率增加時，相同接觸面積下更快地完成了電荷轉移，單位時間內提高了單位面積的電荷轉移量。

2.4 樣品面積對搖粒絨基TENG電壓信號的影響

將搖粒絨基TENG與PTFE膜以雙電極模式相連，在5 N大小的接觸力，1 Hz接觸頻率下發生接觸分離，進行不同接觸面積下的摩擦發電性能測試，探究樣品面積對開路電壓的影響。由圖7可知，其他測試條件不變，樣品面積從5 cm×5 cm增加到10 cm×10 cm，搖粒絨基TENG的電壓從42 V左右增加到150 V左右。原因是接觸面積增加，電荷轉移量提高，電壓增大。

2.5 測試環境濕度對搖粒絨基TENG電流信號的影響

將搖粒絨基TENG與PTFE膜以雙電極模式相連，在溫度20℃的測試環境中，在5 cm×5 cm接觸面積、5 N接觸力、1 Hz頻率測試條件下發生接觸分離，進行不同濕度下的摩擦發電性能測試，探究測試環境濕度對短路電流的影響。由圖8可知，其他測試條件相同的情況下，測試環境濕度越高，電流信號越小，二者呈負相關關系。原因是空氣中的水分子會破壞電荷的轉移，產生電荷耗散。因此測試環境濕度越高，水分子含量越高，搖粒絨基TENG電輸出性能越差。

2.6 搖粒絨基TENG的工作穩定性

將搖粒絨基TENG與PTFE膜以雙電極模式相連，在樣品接觸面積5 cm×5 cm、接觸力5 N、接觸頻率1 Hz測試條件下發生接觸分離，進行工作循環穩定性測試。由圖9可知，經6000個接觸分離循環測試后，電壓沒有明顯下降，證明其工作穩定性良好。

2.7 搖粒絨基TENG的穿戴舒適性和耐水洗性

采用電腦型透視儀在40 ℃和50%空氣濕度的測試條件下測試，經過計算，搖粒絨基TENG的織物透濕率WVT為145.67 g/（m2·h），透濕性良好。搖粒絨織物具有良好的手感和保暖性，柔軟親膚，還具有良好的可拉伸性［14］。與傳統材料制作的TENG相比，搖粒絨基TENG具有良好的穿戴舒適性。此外，搖粒絨基TENG具有耐水洗和可連續化生產的優勢，經過水洗晾干后，在樣品接觸面積5 cm×5 cm、接觸力5 N、接觸頻率1 Hz測試條件下發生接觸分離，其電輸出性能沒有下降，見圖10 。連續化生產樣品實物圖見圖11。

2.8 串并聯對電壓輸出的影響與分析

將搖粒絨基TENG與PTFE膜以雙電極模式相連，在樣品接觸面積5 cm×5 cm、接觸力5 N、接觸頻率1 Hz測試條件下發生接觸分離，測試串聯和并聯多個搖粒絨基TENG對電輸出性能的影響。由圖12可知，同時接觸分離的TENG進行并聯可有效增加發電性能，而串聯后多個單元TENG的電輸出性能和一個單元TENG的電輸出性能相同，這主要由兩個電極上的電荷轉移特性導致，串聯時相鄰兩個電極上的正負電荷相互抵消，會造成性能的下降。

2.9 搖粒絨基TENG的應用

將搖粒絨基TENG用作能源采集器，作為電源，在雙電極工作模式下，10 cm×10 cm大小的搖粒絨基TENG與PTFE膜接觸分離后產生的電壓足以點亮50個串聯的LED發光二極管，見圖13。

為了研究搖粒絨基TENG在人體運動信號監測方面的應用，將搖粒絨基TENG以單電極的工作模式分別附著在人體的不同部位，用于采集人體運動時各部位的電壓信號，如圖14—圖17 所示。單電極模式下，TENG只有一個電極，簡化了結構，更適合不同人體部位運功的應用場景，因此采用單電極工作模式將搖粒絨基TENG附著在不同人體部位。如圖14所示，f-TENG可以識別接觸運動面積的大小，當按壓f-TENG的手指由一根增加到三根時，由于接觸面積增加，峰值電壓的大小從2 V左右增加到了10 V左右。由圖15和圖16可知，除了接觸面積識別，TENG還可以識別不同的運動模式，附著在肘部和腳部的搖粒絨基TENG能夠采集并輸出不同人體運動模式下的電壓輸出信號。如圖17所示，搖粒絨基TENG可以監測手指不同幅度的運動，整體的趨勢為運動幅度越大電壓信號越高。

當f-TENG被附著在肘部時，肘部的壓力較小，可以產生峰值約為4.5 V的電壓信號；當f-TENG被附著在腳底時，隨人體行走，由于足底的壓力較大，可以產生峰值約12～15 V的電壓信號。由于不同運動過程中的接觸力、運動速度、接觸材料性能和接觸面積的差異，不同運動所產生的電壓信號波形也存在差異。接觸面積越大，兩摩擦層的接觸力越大，接觸越緊密，電壓信號越高。一個完整的波形對應一次完整的從開始接觸到完全接觸，從開始分離到完全分離的運動。接觸后分離的速度越快，接觸面積瞬時改變越大，波形的拐點越明顯。由于肘部和行走的運動速度快，分離和接觸的瞬時速度較快，瞬時接觸面積變化大，因此肘部運動和腳部運動的電壓信號波形拐點更加明顯。手指的運動速度略慢，因此手指觸摸搖粒絨基TENG對應的電壓信號波形具有拐點略平緩的特征。這證明f-TENG在智能電子紡織品領域具有應用潛力，可被用于多種應用場景中，采集人體運動的能量產生電信號，例如智能鞋墊、智能手套、智能地毯等自供電可穿戴設備。

3 結 論

本研究選用３種不同結構的絨面滌綸織物和尼龍織物，以導電織物作為電極，構建了一種結構簡單的織物基TENG，并用雙電極工作模式測試電輸出性能，探究不同織物作為摩擦層的摩擦發電性能；在選出電輸出性能最為優異的搖粒絨基TENG后，探究了頻率對搖粒絨電輸出性能的影響，并用單電極模式探究搖粒絨基TENG采集人體不同運動的電信號的能力，得出如下結論：

搖粒絨織物基TENG在３種滌綸絨織物基TENG中電輸出性能最高，由于其特殊的絨面結構增強了摩擦效應，在同等測試條件下，其電輸出性能強于電正性更強的尼龍平面織物，5 cm×5 cm大小的搖粒絨基TENG與PTFE摩擦后電壓可達40 V。隨滌綸絨織物的厚度增加，TENG的電輸出性能下降。隨接觸頻率增加，搖粒絨織物基TENG的電壓和電流呈現出增大的趨勢。隨接觸面積增加，搖粒絨織物基TENG的電輸出性能提高。隨環境濕度增大，搖粒絨織物基TENG的電輸出性能下降。此外，搖粒絨織物具有良好的耐水洗性、穿戴舒適性和透氣透濕性和工作循環穩定性。雙電極工作模式下，串聯多個搖粒絨基TENG后的電輸出性能與單個工作單元的電輸出性能相當，并聯可以提高搖粒絨基TENG的電輸出性能。搖粒絨織物基TENG可以采集人體不同部位運動的電壓信號，可作為一種摩擦電式自供電壓力傳感器，在智能可穿戴設備領域有一定的應用潛力。

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Fabrication and wearable application of fleece fabric-based triboelectric pressure sensors

FANG Xiangmin， QU Lijun， TIAN Mingwei

（College of Textile & Clothing， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：

In recent years， with the continuous development of 5G technology， smart wearable devices have attracted more and more attention. Human body movement can produce a large amount of mechanical energy， which is consumed not only for maintaining life activities， but also for doing work to the outside world. Converting human mechanical energy into electrical energy is a solution to the inconvenience caused by external power supply of intelligent wearable equipment. Triboelectric nanogenerators （Teng） can harvest mechanical energy from the environment and convert it into electricity， but the original TENG was not wearable due to limitations in materials and manufacturing processes. The combination of textiles and TENG is an important solution for wearable self-powered electronics， with the advantages of good air permeability， flexibility and ease of integration into smart wearable devices， and it has a broad application prospect in the new generation of wearable electronic products.

The textile-based TENG is a new kind of friction nanogenerator that is based on fiber or fabric. With multiple many advantages， such as good flexibility， good air permeability， wear resistance and comfortable wearing， it is more conducive to acquiring and collecting energy from the surrounding environment and human movement. The current research focuses on the structure design and material selection of Teng， which improves the charge transfer capacity and electrical output capacity of TENG. However， the structure and preparation process are complicated， the cost is high， and the wearability is poor. In order to increase the output of TENG， the effective contact area between friction materials can be increased besides improving the charge transfer efficiency. Limited by the flexibility and roughness of the friction layer material， TENG's effective friction layer contact area is smaller than the actual contact area， reducing the amount of charge transfer between the two friction layers. Due to the limitations of the materials used in the two-dimensional structure design， there are few studies on increasing the electrical output by increasing the effective contact area of the friction layer. In winter， various commercial suede fabrics are easy to produce electric spark when they are rubbed with human body and other garments， which proves that the suede fabrics have certain triboelectric properties. And the pile fabric has excellent wear resistance， flexibility and washability， but also involves low production cost and continuous production mode. Therefore， a new type of flexible friction nano-generator based on textile fabric was constructed with winter fleece fabric as the substrate by friction nanogenerator technology. Finally， polar fleece was taken as the main research object， and through the improvement of preparation technology， a triboelectric fleece fabric-based pressure sensor with cleanability， continuous production and low cost was obtained.

The fleece fabric-based TENG can collect the voltage signals of different parts of the human body， and can be used as a self-powered triboelectric pressure sensor in many applications， which demonstrates the application potential of textiles in self-powered intelligent wearable devices. The research results can provide some ideas for the structure design and application scenario of textile-based TENG.

Keywords：

fleece fabric; triboelectric nanogenerator; intelligent wearable devices; self-power; sensor