包缠复合纱摩擦纳米发电机的制备及其电学性能

2021-04-06马丽芸吴荣辉张玉泽

纺织学报 2021年1期

马丽芸，吴荣辉，刘赛，张玉泽，汪军,3

(1. 东华大学纺织学院，上海 201620； 2. 新疆大学纺织与服装学院，新疆乌鲁木齐 830046； 3. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

智能纺织品作为智能可穿戴产品的一个重要组成部分，占据至关重要的地位。随着计算机、互联网、人工智能等先进技术的迅速发展，智能纺织品不仅受到学术界科学研究者的关注也受到工业界的关注，其被认为是未来纺织发展的主要方向[1-3]。

智能纺织品主要包含：储能器件、能量转化器件、传感器件以及柔性制动器件等[4-5]。纳米摩擦发电机包含在能量转换器件之中，摩擦纳米发电机的概念是2012年由王中林院士课题组首次提出，当2种材料相接触时，其表面由于接触起电作用会产生正负静电荷；而当2种材料由于机械力分开时，接触起电产生的正负电荷也发生分离，这种电荷分离会相应地在材料的上下电极上产生感应电势差。如果在2个电极之间接入负载或者处于短路状态，这个感应电势差会驱动电子通过外电路在2个电极之间流动。摩擦纳米发电机的目的就在于收集低频小尺度的机械能转换成电能[6]。该器件的优点在于能收集小微环境中的能量，将其转化为电能，满足未来遍布全球的小微电子器件的能源需求[7]。

目前，大部分的纤维基或纱线基摩擦纳米发电机是通过直接浸涂等方式制备的，大部分此类器件的纤维和纱线的长度短、线密度大、力学性能差，难以满足后道织造条件。部分连续化生产的器件虽有少量报道[8]，但其制备流程复杂，影响了批量化生产的效率。此外，有学者直接通过涂抹糊等方式，对织物进行处理，使织物失去了透气性、柔软性以及舒适性等基本性能[9-10]。本文以导电锦纶纱线为基本器件单元，使用涤/棉混纺纱及导电长丝，利用空芯锭花式捻线机，制备了全纤维的皮芯结构包缠纱，即涤/棉纱与导电锦纶长丝包缠复合纱的摩擦纳米发电机，并研究其相关性能。

1 实验部分

1.1 材料及设备

涤/棉混纺纱(80/20),19.02 tex；导电锦纶长丝，26.49 tex,青岛志远翔宇功能性面料有限公司，以上纱均未进行进一步的处理。QFB730 K型空芯锭花式捻线机，无锡第七纺织机械有限公司；XL-1A型纱线强力伸长测试仪，上海新纤仪器有限公司；SU-70型热场发射扫描电子显微镜，日本日立株式会社；吉时利6514静电计，美国吉时利仪器公司。

1.2 基于复合纱的摩擦纳米发电机的制备

基于复合纱的摩擦纳米发电机为皮芯结构，使用市售涤/棉混纺纱作为包缠纱，导电锦纶长丝作为芯纱。在空芯锭花式捻线机上加工复合纱，如图1所示。芯纱(导电长丝)从筒子上退绕后通过导纱架引至罗拉控制区域，利用控制器对芯纱进行控制，包缠纱(涤/棉混纺纱)在空芯锭的高速旋转下包缠在芯纱表面，形成皮芯结构复合纱，皮芯结构复合纱通过罗拉引导，均匀地收集在收集罗拉上，实现该复合纱的摩擦纳米发电机的连续化生产。

图1 空芯锭花式捻线机加工复合纱的示意图

1.3 测试方法

1.3.1 基本性能测试

对复合纱进行定长称量后，使用纱线强力伸长测试仪对复合纱的强力进行测试。

1.3.2 摩擦纳米发电机形貌表征

使用热场发射扫描电子显微镜对基于复合纱的摩擦纳米发电机的形貌进行表征。

1.3.3 电学性能测试

在空气湿度为55%室温为22 ℃的环境中，将不同长度的复合纱的摩擦纳米发电机固定在挡板上，将甲基丙烯酸甲酯板固定在线性电动机的一端，如图2所示。通过设定线性电动机的移动加速度，实现甲基丙烯酸甲酯板与挡板上的摩擦纳米发电机的接触分离频率(0.5～2.5 Hz)的控制。将纳米发电机的芯纱与静电计的测试端连接，利用静电计对该纳米发电机的短路电流、电荷量以及开路电压进行测试和读取。

图2 摩擦纳米发电机的性能测试示意图

2 结果与讨论

2.1 摩擦纳米发电机形态分析

使用导电胶带将包缠复合纱进行固定，再使用刀片制备复合纱截面后粘贴在截面样品台上进行观察。图3示出复合纱截面形貌的扫描电镜。可看出，涤/棉纱包缠在导电长丝上，形成皮芯结构。

图3 复合纱截面形貌的扫描电镜照片

通过测长称量法计算得出该复合纱的线密度为131.52 tex。图4示出复合纱的表面形貌照片。采用空芯锭花式捻线机制备的包缠结构复合纱的平均直径约为598 μm。从放大图也可看出明显的转曲棉纤维和圆形涤纶长丝，可以确定该包缠纱为涤/棉混纺纱。

图4 复合纱表面形貌照片

2.2 复合纱力学性能分析

将基于复合纱的摩擦纳米发电机进行力学性能测试，其拉伸断裂曲线如图5所示。该曲线呈现初始小幅上凸形，随后小幅下凹直至断裂的形状。同时，该纱具有较好的断裂强力，能满足复合纱的日常使用条件。

图5 基于复合纱的摩擦纳米发电机的力学性能表征

2.3 摩擦纳米发电机原理分析

摩擦纳米发电机的基本工作机制是：具有不同电子亲和力的2种材料之间的物理接触可在接触表面产生相反的静电荷，当在外力驱使下2种材料的表面会发生接触分离，此时器件会产生交流电学输出。摩擦纳米发电机分为垂直接触分离式、水平滑动式、单电极式以及独立层式。根据摩擦纳米发电机的基本概念及分类，本文设计的是单电极式摩擦纳米发电机[11]，其基本工作机制如图6所示。当在外界机械力作用下，外界材料(以甲基丙烯酸甲酯板为例)接触发电机时，由于摩擦起电效应，表面电荷在2种材料之间转移，甲基丙烯酸甲酯板相对涤/棉混纺纱线具有失电子能力，而涤/棉混纺纱由于具有相对强的得电子能力，因此甲基丙烯酸甲酯板表面带正电，涤/棉混纺纱表面带负电(见图6中a)。只要发生相对分离，就会形成感应电势差，这将使自由电子从导电长丝流向地面，形成电流(见图6中b)。当外界材料和发电机完全分开时，摩擦电荷处于平衡状态，因此没有电学信号输出(见图6中的c)。当外界材料再次接触发电机，导致电子从地面流动到导电长丝，感应电荷被中和(见图6中的d)。因此，发电机通过接触和分离过程的整个周期循环，连续产生交流电输出。

图6 复合纱摩擦纳米发电机的基本工作原理

2.4 摩擦纳米发电机性能分析

通过线性发动机控制在相同力(8 N)、相同接触分离频率(1 Hz)的条件下，对不同长度(10、15、20、25 cm)的涤/棉与导电锦纶长丝包缠复合纱的摩擦纳米发电机进行性能测试，结果如图7所示。开路电压随着长度的增加而增加，其中25 cm长可产生23.44 V的电压。

与开路电压的测试方法相同，短路电流和短路电荷量是通过甲基丙烯酸甲酯板与复合纱的接触分离，并利用静电计进行测试的。短路电流和短路电荷量随复合纱长度的增长而增加。以25 cm长丝包缠复合纱所产生的电能为例，短路电荷量和短路电流分别可达7.86 nC和76.19 nA，结果如图8、9所示。

通过改变线性发动机的移动加速度，设置了5个不同的接触分离频率，即为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 Hz。随着频率的升高，电流量随之增大。该频率测试范围均为低频率，与人体运动的频率范围相似如图10所示。如果将该复合纱通过织造方法制备成织物或直接缝制在衣服上，通过运动可产生人体与织物之间的摩擦或织物与织物之间的摩擦，也可产生电能的输出。

图7 不同长度复合纱摩擦纳米发电机的开路电压

图8 不同长度复合纱摩擦纳米发电机的短路电荷量

图9 不同长度复合纱的摩擦纳米发电机的短路电流

基于复合纱的摩擦纳米发电机在以1 Hz的测试频率下接触—分离1 000次，得到的输出电压随循环次数的变化如图11所示。可看出，该摩擦纳米发电机在同样力作用下循环1 000次的接触—分离均能稳定在96.35%以内，由此可见，其具有良好的循环稳定性。

该单电极摩擦纳米发电机可将机械能转化为电能，因此，可利用手指与复合纱接触分离产生的电学输出，对不同的输出信号大小进行判断，应用于自供电传感器。由于手指长时间按压复合纱会产生“长水平线”信号，手指轻按复合纱则产生点信号，因此，利用手与复合纱的接触分离，可传递具有特定数字或字母含义的摩斯密码。使用手指轻按复合纱时，相应的电信号被实时记录，进一步将水平线及点状电信号转换为字母信号后，可得到手指传达的信息，例如一个点信号为字母E，水平线、点的信号为字母N，点、水平线及点的信号为R,水平线、水平线及点的信号为G,水平线、点、水平线及水平线的信号为Y。该方法可将信息通过代码转换器编译或解密后用于信息传递，如图12所示。