绒面织物基摩擦电式压力传感器的制备及其应用

房翔敏 曲丽君 田明伟

摘 要：传统压力传感器普遍存在可穿戴性差、电源供电不便等瓶颈问题，限制了其在可穿戴领域的应用，因此，研发具有柔性可穿戴和自供电功能的传感器是亟需突破的新策略。受冬季绒面衣物与人体摩擦易产生静电的启发，将摩擦纳米发电技术与柔性纺织材料相结合，提出了一种基于纺织结构的新型摩擦纳米发电机。以不同绒面织物作为摩擦层材料，制备了一种摇粒绒织物基摩擦电式自供电压力传感器（f-TENG），研究绒面结构类型对摩擦电输出性能的影响规律。f-TENG的绒面结构和高比表面积赋予了其良好的可水洗、连续化生产、低成本的特点，以及出色的电输出性能（40 V，5 cm×5 cm），可以点亮50个串联的LED灯泡。f-TENG可被用于多种应用场景中，采集人体运动的能量产生电信号，展示了纺织品在自供电智能可穿戴设备方面的应用潜力。

关键词：绒面织物；摩擦纳米发电机；智能可穿戴设备；自供电；传感器

中图分类号：TS101.8

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2023）04-0183-09

收稿日期：2022－10－18

网络出版日期：2023－01－06

基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFB3805801、2022YFB3805802）；山东省重大科技创新工程（2019JZZY010335、2019JZZY010340）；山东省青创科技创新团队（2020KJA013）；国家自然科学基金项目（22208178）；山东省自然科学基金项目（ZR2020QE074）；纺织行业智能纺织服装柔性器件重点实验室开放课题（SDHY2223）

作者简介：房翔敏（1998—），女，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事智能可穿戴纺织品方面的研究。

通信作者：田明伟，E-mail：mwtian@qdu.edu.cn

近年来，随着5G技术的不断发展，智能可穿戴设备越来越受到关注。人体运动可产生大量的机械能，将损失的人体机械能转换为电能，是解决智能可穿戴设备外接电源造成使用不便的方案之一［1］。摩擦纳米发电机（TENG）的问世让人体运动产生的机械能转换成电能提供了新策略［2］。TENG通过摩擦电和静电效应的耦合，可以采集环境中的机械能并将其转化为电能，但最初的TENG受材料和制作工艺的限制，可穿戴性差［3］。纺织品和 TENG 的结合是可穿戴自供电电子产品的重要解决方案，纺织基TENG具有透气性好、柔性佳、易于集成到智能可穿戴设备中等优势，在新一代可穿戴电子产品中具有广阔的应用前景［4］。

纺织基TENG是一类以纤维或织物为基本结构单元的新型摩擦纳米发电机，具有柔性好、透气性好、耐磨损、穿着舒适等优势，更有利于从环境、人体运动中收集能量［5］。纺织基TENG根据纺织结构，可分为纱线基TENG和织物基TENG两类，纱线基TENG的体积小且变形性较好，其电输出性能相对较低。利用纺织技术进行结构设计，将多个纱线基TENG组合成织物基自供电传感器，可以提高整体的电输出性能［6］。刘运涛［7］将摩擦纳米发电机和气辅静电纺丝技术结合，制作了滚筒摩擦纳米发电机作为气辅静电纺丝的接收器和高压电源。Zhang等［8］采用包芯纺纱技术，制备了一种基于费马螺旋的耐磨防水可拉伸摩擦电纱线传感器。Chen等［9］采用3D打印技术，制备了具有多层同轴结构的可拉伸弹性TENG纤维，用作触觉传感TENG电子皮肤。上述研究以TENG结构的设计和材料的选择为侧重点，提高了TENG的电荷转移量和电输出能力，但是结构和制备工艺较为复杂，成本较高，可穿戴性较差。为提高TENG的电输出，除了提高电荷转移效率外，还可以增加摩擦材料之间的有效接触面积［10］。受限于摩擦层材料的柔性和粗糙度，TENG的有效摩擦层接触面积小于实际接触面积，降低了两摩擦层间的电荷转移量。目前，大多数纺织基体的结构为低表面积的二维平面，通过改变纺织基体摩擦层结构以提高电输出的研究较少［5］。冬季各类商用绒面织物制成的服装与人体以及其他服装摩擦后易产生电火花，证明绒类织物具有一定的摩擦发电性能。绒类织物具有优异的耐磨性、保暖性、可水洗性，还具有低廉的生产成本，因此各类绒面织物是织物基TENG摩擦层的理想候选产品。本文以冬季绒面织物为基底，结合摩擦纳米发电机技术，构筑了一种新型的基于纺织面料的柔性摩擦纳米发电机，以摇粒绒为主要研究对象，并通过制备工艺的改善，获得了可清洗、可连续生产、成本低廉的摩擦电式绒面织物基自供电压力传感器。

1 实 验

1.1 实验材料

摇粒绒织物（200 g/m2，厚度2 mm，宿迁市爱淘贸易有限公司）；法兰绒织物（500 g/m2，厚度5 mm，绍兴市喜诺兰纺织有限公司）；仿兔绒织物（600 g/m2，厚度7 mm，天津最舒意地毯有限公司）；尼龙织物（365 g/m2，厚度0.5 mm，广州市浪界展现有限公司）；柔性导电织物（镀镍导电非织造布，方阻0.8 Ω/m2；35 g/m2，厚度0.2 mm，青岛志远翔宇功能性面料有限公司）；柔性热熔织物（聚酯纤维非织造布，24 g/m2，厚度0.05 mm，北京市郑氏双龙贸易商行）；PTFE膜（厚度0.1 mm，上海深宸橡塑制品厂）。

1.2 实验设备

静电计（6514B型，美国吉时利仪器公司），直线电机（36V型，广东盛达机械有限公司），商用洗衣机（EB80M30Mate1型，海尔集团），电热鼓风干燥箱（JC101型，南通嘉诚仪器有限公司），热压机（TY-420型，麦客仪器有限公司），电脑透湿测试仪（YG601H-Ⅱ，上海双旭电子有限公司）。

1.3 样品制备

将4种用作摩擦层的织物（见图1）与导电织物采用商用洗衣液在商用洗衣机中水洗充分干燥后，裁剪为5 cm×5 cm的尺寸。导电织物作为电极，绒面织物作为表面摩擦层，采用热压机在180 ℃下将三明治结构的f-TENG压紧10 min，得到三明治结构的摩擦纳米发电机。热压前后织物的SEM照片和光学显微镜照片如图2所示，热压前后4种织物的表面微观结构没有明显变化，织物表面的纤维没有明显损伤。由于摩擦层采用的四类织物为成熟的商业用织物，具有良好的耐水洗、耐熨燙以及耐磨性能，因此能够耐受高温高压加工过程。

1.4 性能测试

将绒面织物基TENG与PTFE膜的电极之间以导线相连接，采用双电极法接触分离测试不同种类的织物基TENG的开路电压和短路电流等电输出性能。在室温25 ℃，相对湿度50%的环境中采用6514型可编程静电计测试4种TENG接触分离产生的开路电压和短路电流，测试接触力和测试频率分别为5 N和1 Hz。选出电输出性能最佳的TENG后，在接触力5 N、测试频率由0.5 Hz增加到2 Hz进行电输出性能测试，以探究接触频率对开路电压和短路电流等电输出性能的影响。

利用单因素变量控制方法探究绒面种类、频率等因素对绒面织物基TENG摩擦发电性能的影响。采用电脑透湿仪测试TENG的透湿量，探究其穿戴舒适性。探究绒面织物基TENG在人体运动信号监测方面的应用。

2 结果与分析

2.1 试验原理

由常见材料的摩擦带电序列［11］可知，在上下摩擦层摩擦的过程中，以涤纶为原材料制备的3种绒面织物和尼龙织物更趋向于失去电子而带正电荷，PTFE趋向于得到电子而带负电荷。在摩擦过程中，织物的表面越粗糙，比表面积越高，摩擦电荷密度越高，摩擦产生的电压越高。摩擦发电的循环过程对应于两摩擦层之间的接触分离运动［10］。上下织物层相互接触时，在临界面上会产生相同数量的极性

相反的电荷;当两者开始分离时，静电感应使得正电荷和负电荷分别在底部和顶部的织物电极上感应;二者之间电位差的积累产生电子移动，形成瞬时电流。织物层完全分离时，正电荷和负电荷达到完全平衡;两织物层彼此接近，累积的感应电荷通过外部负载回流，以补偿电位差;其发电原理与测试原理如图3所示［12］。目前，摩擦电型传感器可按照工作模式分为4类：接触分离式（CS）、横向摩擦式（LS）、单电极式（SE）和独立式（FM）［10］。通过结构设计，f-TENG可以不同工作模式下采集机械能产生电信号。

2.2 不同种类织物对电输出性能的影响与分析

作摩擦层的织物種类与摩擦发电性能的关系如图4所示。在接触材料、接触频率、接触面积相同的情况下，摇粒绒基TENG的电压电流最高，瞬时电压和电流峰值分别达到了40 V和300 nA。其次是尼龙基TENG，法兰绒织物基TENG，电输出性能最弱的是仿兔绒基TENG。可以从摩擦电序列和织物的结构和厚度来解释。

由摩擦带电序列［11］可知，尼龙的电正性强于涤纶，更容易失电子带正电荷，因此在负摩擦层相同的情况下，尼龙织物基TENG的电输出高于一般的涤纶绒面织物基TENG。本文采用的尼龙织物、仿兔绒织物、法兰绒织物都是机织物，割毛拉绒工艺赋予了仿兔绒和法兰绒织物长绒毛结构，提高了二者的粗糙程度和表面积，然而，仿兔绒和法兰绒织物的绒面结构是由若干直立的纤维形成的，当仿兔绒织物或法兰绒织物与负摩擦层接触时，被压紧的纤维呈倒伏状，压住邻近纤维，使得接触面上的纤维不能与负摩擦层充分接触［5］，从而减少了这两种绒织物表面与负摩擦层的有效摩擦面积，无法充分增加电荷密度。摇粒绒织物为针织物结构，其绒面结构是由多根纤维抱合成团后形成的若干绒颗粒，具有良好的弹性形变［13］。当摇粒绒织物与负摩擦层接触时，先接触到负摩擦层的成团绒毛颗粒被压紧，随着接触碾压过程，接触负摩擦层的绒颗粒接连被向下压紧，不向侧面倒伏，负摩擦层能有效接触到摇粒绒织物表面上近乎全部的绒颗粒，大大提高了摩擦面积和电荷转移密度。因此，同样由涤纶材料制备的摇粒绒织物，由于结构优势，在电输出性能上优于摩擦电序列上的电子能力更强的尼龙织物。其结构可能为纺织基TENG的结构创新提供新的启示。此外，绒织物的厚度对TENG的电输出性能也有影响，由图5可知，涤纶绒织物的厚度越厚，电输出性能越低。

由于摇粒绒基TENG的电输出能力最强，在后续实验中采用摇粒绒基TENG探究频率对织物基TENG输出的影响，并将其作为一种自供电应力传感器和能源采集器，探究其供电能力和采集人体运动信号能力。

2.3 接触频率对摇粒绒基TENG电输出性能的影响与分析

将摇粒绒基TENG与PTFE膜通过双电极模式相连，在5 N大小的接触力，5 cm×5 cm接触面积下，以不同的频率发生接触分离，进行不同接触频率下的摩擦发电性能测试，探究频率对开路电压和短路电流等电输出性能的影响。

由图6可知，随接触频率从0.5 Hz增加到2 Hz，摇粒绒基TENG的电压和电流呈现出增加的趋势，二者为正相关关系。当接触频率增大到2 Hz时，峰值电压和峰值电流分别达到了50 V和200 nA。原因可能是当接触频率增加时，相同接触面积下更快地完成了电荷转移，单位时间内提高了单位面积的电荷转移量。

2.4 样品面积对摇粒绒基TENG电压信号的影响

将摇粒绒基TENG与PTFE膜以双电极模式相连，在5 N大小的接触力，1 Hz接触频率下发生接触分离，进行不同接触面积下的摩擦发电性能测试，探究样品面积对开路电压的影响。由图7可知，其他测试条件不变，样品面积从5 cm×5 cm增加到10 cm×10 cm，摇粒绒基TENG的电压从42 V左右增加到150 V左右。原因是接触面积增加，电荷转移量提高，电压增大。

2.5 测试环境湿度对摇粒绒基TENG电流信号的影响

将摇粒绒基TENG与PTFE膜以双电极模式相连，在温度20℃的测试环境中，在5 cm×5 cm接触面积、5 N接触力、1 Hz频率测试条件下发生接触分离，进行不同湿度下的摩擦发电性能测试，探究测试环境湿度对短路电流的影响。由图8可知，其他测试条件相同的情况下，测试环境湿度越高，电流信号越小，二者呈负相关关系。原因是空气中的水分子会破坏电荷的转移，产生电荷耗散。因此测试环境湿度越高，水分子含量越高，摇粒绒基TENG电输出性能越差。

2.6 摇粒绒基TENG的工作稳定性

将摇粒绒基TENG与PTFE膜以双电极模式相连，在样品接触面积5 cm×5 cm、接触力5 N、接触频率1 Hz测试条件下发生接触分离，进行工作循环稳定性测试。由图9可知，经6000个接触分离循环测试后，电压没有明显下降，证明其工作稳定性良好。

2.7 摇粒绒基TENG的穿戴舒适性和耐水洗性

采用电脑型透视仪在40 ℃和50%空气湿度的测试条件下测试，经过计算，摇粒绒基TENG的织物透湿率WVT为145.67 g/（m2·h），透湿性良好。摇粒绒织物具有良好的手感和保暖性，柔软亲肤，还具有良好的可拉伸性［14］。与传统材料制作的TENG相比，摇粒绒基TENG具有良好的穿戴舒适性。此外，摇粒绒基TENG具有耐水洗和可连续化生产的优势，经过水洗晾干后，在样品接触面积5 cm×5 cm、接触力5 N、接触频率1 Hz测试条件下发生接触分离，其电输出性能没有下降，见图10 。连续化生产样品实物图见图11。

2.8 串并联对电压输出的影响与分析

将摇粒绒基TENG与PTFE膜以双电极模式相连，在样品接触面积5 cm×5 cm、接触力5 N、接触频率1 Hz测试条件下发生接触分离，测试串联和并联多个摇粒绒基TENG对电输出性能的影响。由图12可知，同时接触分离的TENG进行并联可有效增加发电性能，而串联后多个单元TENG的电输出性能和一个单元TENG的电输出性能相同，这主要由两个电极上的电荷转移特性导致，串联时相邻两个电极上的正负电荷相互抵消，会造成性能的下降。

2.9 摇粒绒基TENG的应用

将摇粒绒基TENG用作能源采集器，作为电源，在双电极工作模式下，10 cm×10 cm大小的摇粒绒基TENG与PTFE膜接触分离后产生的电压足以点亮50个串联的LED发光二极管，见图13。

为了研究摇粒绒基TENG在人体运动信号监测方面的应用，将摇粒绒基TENG以单电极的工作模式分别附着在人体的不同部位，用于采集人體运动时各部位的电压信号，如图14—图17 所示。单电极模式下，TENG只有一个电极，简化了结构，更适合不同人体部位运功的应用场景，因此采用单电极工作模式将摇粒绒基TENG附着在不同人体部位。如图14所示，f-TENG可以识别接触运动面积的大小，当按压f-TENG的手指由一根增加到三根时，由于接触面积增加，峰值电压的大小从2 V左右增加到了10 V左右。由图15和图16可知，除了接触面积识别，TENG还可以识别不同的运动模式，附着在肘部和脚部的摇粒绒基TENG能够采集并输出不同人体运动模式下的电压输出信号。如图17所示，摇粒绒基TENG可以监测手指不同幅度的运动，整体的趋势为运动幅度越大电压信号越高。

当f-TENG被附着在肘部时，肘部的压力较小，可以产生峰值约为4.5 V的电压信号；当f-TENG被附着在脚底时，随人体行走，由于足底的压力较大，可以产生峰值约12～15 V的电压信号。由于不同运动过程中的接触力、运动速度、接触材料性能和接触面积的差异，不同运动所产生的电压信号波形也存在差异。接触面积越大，两摩擦层的接触力越大，接触越紧密，电压信号越高。一个完整的波形对应一次完整的从开始接触到完全接触，从开始分离到完全分离的运动。接触后分离的速度越快，接触面积瞬时改变越大，波形的拐点越明显。由于肘部和行走的运动速度快，分离和接触的瞬时速度较快，瞬时接触面积变化大，因此肘部运动和脚部运动的电压信号波形拐点更加明显。手指的运动速度略慢，因此手指触摸摇粒绒基TENG对应的电压信号波形具有拐点略平缓的特征。这证明f-TENG在智能电子纺织品领域具有应用潜力，可被用于多种应用场景中，采集人体运动的能量产生电信号，例如智能鞋垫、智能手套、智能地毯等自供电可穿戴设备。

3 结 论

本研究选用３种不同结构的绒面涤纶织物和尼龙织物，以导电织物作为电极，构建了一种结构简单的织物基TENG，并用双电极工作模式测试电输出性能，探究不同织物作为摩擦层的摩擦发电性能；在选出电输出性能最为优异的摇粒绒基TENG后，探究了频率对摇粒绒电输出性能的影响，并用单电极模式探究摇粒绒基TENG采集人体不同运动的电信号的能力，得出如下结论：

摇粒绒织物基TENG在３种涤纶绒织物基TENG中电输出性能最高，由于其特殊的绒面结构增强了摩擦效应，在同等测试条件下，其电输出性能强于电正性更强的尼龙平面织物，5 cm×5 cm大小的摇粒绒基TENG与PTFE摩擦后电压可达40 V。随涤纶绒织物的厚度增加，TENG的电输出性能下降。随接触频率增加，摇粒绒织物基TENG的电压和电流呈现出增大的趋势。随接触面积增加，摇粒绒织物基TENG的电输出性能提高。随环境湿度增大，摇粒绒织物基TENG的电输出性能下降。此外，摇粒绒织物具有良好的耐水洗性、穿戴舒适性和透气透湿性和工作循环稳定性。双电极工作模式下，串联多个摇粒绒基TENG后的电输出性能与单个工作单元的电输出性能相当，并联可以提高摇粒绒基TENG的电输出性能。摇粒绒织物基TENG可以采集人体不同部位运动的电压信号，可作为一种摩擦电式自供电压力传感器，在智能可穿戴设备领域有一定的应用潜力。

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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