馬麗蕓， 吳榮輝， 劉 賽， 張玉澤， 汪 軍,3

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046； 3. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

智能紡織品作為智能可穿戴產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，占據(jù)至關(guān)重要的地位。隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能紡織品不僅受到學(xué)術(shù)界科學(xué)研究者的關(guān)注也受到工業(yè)界的關(guān)注，其被認(rèn)為是未來紡織發(fā)展的主要方向[1-3]。

智能紡織品主要包含：儲(chǔ)能器件、能量轉(zhuǎn)化器件、傳感器件以及柔性制動(dòng)器件等[4-5]。納米摩擦發(fā)電機(jī)包含在能量轉(zhuǎn)換器件之中，摩擦納米發(fā)電機(jī)的概念是2012年由王中林院士課題組首次提出，當(dāng)2種材料相接觸時(shí)，其表面由于接觸起電作用會(huì)產(chǎn)生正負(fù)靜電荷；而當(dāng)2種材料由于機(jī)械力分開時(shí)，接觸起電產(chǎn)生的正負(fù)電荷也發(fā)生分離，這種電荷分離會(huì)相應(yīng)地在材料的上下電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)差。如果在2個(gè)電極之間接入負(fù)載或者處于短路狀態(tài)，這個(gè)感應(yīng)電勢(shì)差會(huì)驅(qū)動(dòng)電子通過外電路在2個(gè)電極之間流動(dòng)。摩擦納米發(fā)電機(jī)的目的就在于收集低頻小尺度的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能[6]。該器件的優(yōu)點(diǎn)在于能收集小微環(huán)境中的能量，將其轉(zhuǎn)化為電能，滿足未來遍布全球的小微電子器件的能源需求[7]。

目前，大部分的纖維基或紗線基摩擦納米發(fā)電機(jī)是通過直接浸涂等方式制備的，大部分此類器件的纖維和紗線的長(zhǎng)度短、線密度大、力學(xué)性能差，難以滿足后道織造條件。部分連續(xù)化生產(chǎn)的器件雖有少量報(bào)道[8]，但其制備流程復(fù)雜，影響了批量化生產(chǎn)的效率。此外，有學(xué)者直接通過涂抹糊等方式，對(duì)織物進(jìn)行處理，使織物失去了透氣性、柔軟性以及舒適性等基本性能[9-10]。本文以導(dǎo)電錦綸紗線為基本器件單元，使用滌/棉混紡紗及導(dǎo)電長(zhǎng)絲，利用空芯錠花式捻線機(jī)，制備了全纖維的皮芯結(jié)構(gòu)包纏紗，即滌/棉紗與導(dǎo)電錦綸長(zhǎng)絲包纏復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)，并研究其相關(guān)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及設(shè)備

滌/棉混紡紗(80/20),19.02 tex；導(dǎo)電錦綸長(zhǎng)絲，26.49 tex,青島志遠(yuǎn)翔宇功能性面料有限公司，以上紗均未進(jìn)行進(jìn)一步的處理。QFB730 K型空芯錠花式捻線機(jī)，無錫第七紡織機(jī)械有限公司；XL-1A型紗線強(qiáng)力伸長(zhǎng)測(cè)試儀，上海新纖儀器有限公司；SU-70型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立株式會(huì)社；吉時(shí)利6514靜電計(jì)，美國(guó)吉時(shí)利儀器公司。

1.2 基于復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備

基于復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)為皮芯結(jié)構(gòu)，使用市售滌/棉混紡紗作為包纏紗，導(dǎo)電錦綸長(zhǎng)絲作為芯紗。在空芯錠花式捻線機(jī)上加工復(fù)合紗，如圖1所示。芯紗(導(dǎo)電長(zhǎng)絲)從筒子上退繞后通過導(dǎo)紗架引至羅拉控制區(qū)域，利用控制器對(duì)芯紗進(jìn)行控制，包纏紗(滌/棉混紡紗)在空芯錠的高速旋轉(zhuǎn)下包纏在芯紗表面，形成皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合紗，皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合紗通過羅拉引導(dǎo)，均勻地收集在收集羅拉上，實(shí)現(xiàn)該復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)的連續(xù)化生產(chǎn)。

圖1 空芯錠花式捻線機(jī)加工復(fù)合紗的示意圖

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 基本性能測(cè)試

對(duì)復(fù)合紗進(jìn)行定長(zhǎng)稱量后，使用紗線強(qiáng)力伸長(zhǎng)測(cè)試儀對(duì)復(fù)合紗的強(qiáng)力進(jìn)行測(cè)試。

1.3.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)形貌表征

使用熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)基于復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)的形貌進(jìn)行表征。

1.3.3 電學(xué)性能測(cè)試

在空氣濕度為55%室溫為22 ℃的環(huán)境中，將不同長(zhǎng)度的復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)固定在擋板上，將甲基丙烯酸甲酯板固定在線性電動(dòng)機(jī)的一端，如圖2所示。通過設(shè)定線性電動(dòng)機(jī)的移動(dòng)加速度，實(shí)現(xiàn)甲基丙烯酸甲酯板與擋板上的摩擦納米發(fā)電機(jī)的接觸分離頻率(0.5～2.5 Hz)的控制。將納米發(fā)電機(jī)的芯紗與靜電計(jì)的測(cè)試端連接，利用靜電計(jì)對(duì)該納米發(fā)電機(jī)的短路電流、電荷量以及開路電壓進(jìn)行測(cè)試和讀取。

圖2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的性能測(cè)試示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦納米發(fā)電機(jī)形態(tài)分析

使用導(dǎo)電膠帶將包纏復(fù)合紗進(jìn)行固定，再使用刀片制備復(fù)合紗截面后粘貼在截面樣品臺(tái)上進(jìn)行觀察。圖3示出復(fù)合紗截面形貌的掃描電鏡?？煽闯?，滌/棉紗包纏在導(dǎo)電長(zhǎng)絲上，形成皮芯結(jié)構(gòu)。

圖3 復(fù)合紗截面形貌的掃描電鏡照片

通過測(cè)長(zhǎng)稱量法計(jì)算得出該復(fù)合紗的線密度為131.52 tex。圖4示出復(fù)合紗的表面形貌照片。采用空芯錠花式捻線機(jī)制備的包纏結(jié)構(gòu)復(fù)合紗的平均直徑約為598 μm。從放大圖也可看出明顯的轉(zhuǎn)曲棉纖維和圓形滌綸長(zhǎng)絲，可以確定該包纏紗為滌/棉混紡紗。

圖4 復(fù)合紗表面形貌照片

2.2 復(fù)合紗力學(xué)性能分析

將基于復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其拉伸斷裂曲線如圖5所示。該曲線呈現(xiàn)初始小幅上凸形，隨后小幅下凹直至斷裂的形狀。同時(shí)，該紗具有較好的斷裂強(qiáng)力，能滿足復(fù)合紗的日常使用條件。

圖5 基于復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)的力學(xué)性能表征

2.3 摩擦納米發(fā)電機(jī)原理分析

摩擦納米發(fā)電機(jī)的基本工作機(jī)制是：具有不同電子親和力的2種材料之間的物理接觸可在接觸表面產(chǎn)生相反的靜電荷，當(dāng)在外力驅(qū)使下2種材料的表面會(huì)發(fā)生接觸分離，此時(shí)器件會(huì)產(chǎn)生交流電學(xué)輸出。摩擦納米發(fā)電機(jī)分為垂直接觸分離式、水平滑動(dòng)式、單電極式以及獨(dú)立層式。根據(jù)摩擦納米發(fā)電機(jī)的基本概念及分類，本文設(shè)計(jì)的是單電極式摩擦納米發(fā)電機(jī)[11]，其基本工作機(jī)制如圖6所示。當(dāng)在外界機(jī)械力作用下，外界材料(以甲基丙烯酸甲酯板為例)接觸發(fā)電機(jī)時(shí)，由于摩擦起電效應(yīng)，表面電荷在2種材料之間轉(zhuǎn)移，甲基丙烯酸甲酯板相對(duì)滌/棉混紡紗線具有失電子能力，而滌/棉混紡紗由于具有相對(duì)強(qiáng)的得電子能力，因此甲基丙烯酸甲酯板表面帶正電，滌/棉混紡紗表面帶負(fù)電(見圖6中a)。只要發(fā)生相對(duì)分離，就會(huì)形成感應(yīng)電勢(shì)差，這將使自由電子從導(dǎo)電長(zhǎng)絲流向地面，形成電流(見圖6中b)。當(dāng)外界材料和發(fā)電機(jī)完全分開時(shí)，摩擦電荷處于平衡狀態(tài)，因此沒有電學(xué)信號(hào)輸出(見圖6中的c)。當(dāng)外界材料再次接觸發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致電子從地面流動(dòng)到導(dǎo)電長(zhǎng)絲，感應(yīng)電荷被中和(見圖6中的d)。因此，發(fā)電機(jī)通過接觸和分離過程的整個(gè)周期循環(huán)，連續(xù)產(chǎn)生交流電輸出。

圖6 復(fù)合紗摩擦納米發(fā)電機(jī)的基本工作原理

2.4 摩擦納米發(fā)電機(jī)性能分析

通過線性發(fā)動(dòng)機(jī)控制在相同力(8 N)、相同接觸分離頻率(1 Hz)的條件下，對(duì)不同長(zhǎng)度(10、15、20、25 cm)的滌/棉與導(dǎo)電錦綸長(zhǎng)絲包纏復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。開路電壓隨著長(zhǎng)度的增加而增加，其中25 cm長(zhǎng)可產(chǎn)生23.44 V的電壓。

與開路電壓的測(cè)試方法相同，短路電流和短路電荷量是通過甲基丙烯酸甲酯板與復(fù)合紗的接觸分離，并利用靜電計(jì)進(jìn)行測(cè)試的。短路電流和短路電荷量隨復(fù)合紗長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而增加。以25 cm長(zhǎng)絲包纏復(fù)合紗所產(chǎn)生的電能為例，短路電荷量和短路電流分別可達(dá)7.86 nC和76.19 nA，結(jié)果如圖8、9所示。

通過改變線性發(fā)動(dòng)機(jī)的移動(dòng)加速度，設(shè)置了5個(gè)不同的接觸分離頻率，即為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 Hz。隨著頻率的升高，電流量隨之增大。該頻率測(cè)試范圍均為低頻率，與人體運(yùn)動(dòng)的頻率范圍相似如圖10所示。如果將該復(fù)合紗通過織造方法制備成織物或直接縫制在衣服上，通過運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生人體與織物之間的摩擦或織物與織物之間的摩擦，也可產(chǎn)生電能的輸出。

圖7 不同長(zhǎng)度復(fù)合紗摩擦納米發(fā)電機(jī)的開路電壓

圖8 不同長(zhǎng)度復(fù)合紗摩擦納米發(fā)電機(jī)的短路電荷量

圖9 不同長(zhǎng)度復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)的短路電流

基于復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)在以1 Hz的測(cè)試頻率下接觸—分離1 000次，得到的輸出電壓隨循環(huán)次數(shù)的變化如圖11所示?？煽闯觯撃Σ良{米發(fā)電機(jī)在同樣力作用下循環(huán)1 000次的接觸—分離均能穩(wěn)定在96.35%以內(nèi)，由此可見，其具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

該單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可利用手指與復(fù)合紗接觸分離產(chǎn)生的電學(xué)輸出，對(duì)不同的輸出信號(hào)大小進(jìn)行判斷，應(yīng)用于自供電傳感器。由于手指長(zhǎng)時(shí)間按壓復(fù)合紗會(huì)產(chǎn)生“長(zhǎng)水平線”信號(hào)，手指輕按復(fù)合紗則產(chǎn)生點(diǎn)信號(hào)，因此，利用手與復(fù)合紗的接觸分離，可傳遞具有特定數(shù)字或字母含義的摩斯密碼。使用手指輕按復(fù)合紗時(shí)，相應(yīng)的電信號(hào)被實(shí)時(shí)記錄，進(jìn)一步將水平線及點(diǎn)狀電信號(hào)轉(zhuǎn)換為字母信號(hào)后，可得到手指?jìng)鬟_(dá)的信息，例如一個(gè)點(diǎn)信號(hào)為字母E，水平線、點(diǎn)的信號(hào)為字母N，點(diǎn)、水平線及點(diǎn)的信號(hào)為R,水平線、水平線及點(diǎn)的信號(hào)為G,水平線、點(diǎn)、水平線及水平線的信號(hào)為Y。該方法可將信息通過代碼轉(zhuǎn)換器編譯或解密后用于信息傳遞，如圖12所示。

圖10 在不同測(cè)試頻率下復(fù)合紗摩擦納米發(fā)電機(jī)的短路電流

圖11 復(fù)合紗摩擦納米發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性

圖12 復(fù)合紗摩擦納米發(fā)電機(jī)的莫斯密碼應(yīng)用

將該單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)粘貼至手指關(guān)節(jié)處，當(dāng)手指彎曲和伸直時(shí)，該發(fā)電機(jī)與皮膚接觸和分離，從而產(chǎn)生電壓輸出信號(hào)，該信號(hào)即可顯示手指彎曲和伸直的情況，因此該發(fā)電機(jī)可應(yīng)用于手指的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，如圖13所示。

圖13 復(fù)合紗摩擦納米發(fā)電機(jī)的手指運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

3 結(jié) 論

目前基于復(fù)合紗的納米發(fā)電機(jī)存在線密度大、力學(xué)性能差以及連續(xù)化生產(chǎn)不成熟等問題，本文通過空芯錠花式加捻機(jī)的加工方法，成功制備了基于滌/棉與導(dǎo)電錦綸長(zhǎng)絲包纏復(fù)合紗的單電級(jí)摩擦納米發(fā)電機(jī)。具體研究結(jié)論如下：

1)基于滌/棉紗與導(dǎo)電錦綸長(zhǎng)絲包纏復(fù)合紗的摩擦納米發(fā)電機(jī)為緊密包纏結(jié)構(gòu)紗，該紗的平均直徑約為598 μm，線密度為131.52 tex。

2)本文對(duì)不同長(zhǎng)度的復(fù)合紗的電學(xué)輸出性能進(jìn)行研究得出,25 cm長(zhǎng)的復(fù)合紗可產(chǎn)生23.44 V的電壓，短路電流和短路電荷量分別為76.19 nA和7.86 nC。

3)該單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)可通過手指與復(fù)合紗的接觸分離，傳遞摩斯密碼的信息；同時(shí)，將該單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)粘貼至手指關(guān)節(jié)處，即可檢測(cè)手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況。