王 鵬, 馮見艷, 陳 欣, 張 鵬, 羅曉民, 秦 榮

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 輕化工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 陜西 西安 710021)

0 引言

現(xiàn)階段智能可穿戴電子設(shè)備不斷更新迭代,在生產(chǎn)生活中都廣為普及[1].大多數(shù)可穿戴電子設(shè)備依靠電池作為能源,電池本身的容量、充電效率、安全、壽命以及回收處理等方面嚴(yán)重限制可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展[2].摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)基于靜電感應(yīng)與摩擦起電效應(yīng),是一種能夠收集外界機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件[3,4],具有穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)性好、適用性強(qiáng)、清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì),可實(shí)現(xiàn)自供電供能,具有巨大的發(fā)展?jié)摿5-7].

然而TENG的輸出性能受多方面因素影響,如材料本身的電負(fù)性以及表面微觀結(jié)構(gòu)等[8].因此,一方面可通過引入納米材料,在一定程度上改變材料電負(fù)性[9,10];另一方面可以設(shè)計(jì)材料表面微觀結(jié)構(gòu),如錐形、圓形、方形等,增加接觸面積,從而提高TENG輸出性能[11,12].Lin等[10]通過聚環(huán)氧乙烷(PEO)與納米纖維素制備復(fù)合紙.借助PEO作用,復(fù)合紙具有極高的摩擦正電性與電荷密度,制備的TENG具有222.1 V、4.3 μA和217.3 mW·m-2的輸出電壓、電流與功率密度.Wang等[13]利用錐形微納米針,通過銅網(wǎng)熱壓制備具有微結(jié)構(gòu)的聚(β-羥基丁酸酯)(PHB)膜.研究發(fā)現(xiàn)500目銅網(wǎng)熱壓PHB膜的TENG開路電壓、短路電流和電荷密度分別提高了86.6%、54.8%和96.7%.選用具有三維立體結(jié)構(gòu)的彈性基底是TENG實(shí)現(xiàn)兩種因素共同作用的前提[14,15].Zhang等[16]選用表面具有天然纖維特殊結(jié)構(gòu)的豐滿柔軟皮革作為基底,引入MXene增強(qiáng)導(dǎo)電性能與機(jī)械強(qiáng)度,制備了輸出電壓達(dá)199.56 V,最大輸出功率密度達(dá)0.469 mW/cm2的單電極TENG,從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互應(yīng)用.

聚氨酯和超細(xì)纖維復(fù)合材料具有微納米結(jié)構(gòu)仿生材料[17],其組成與結(jié)構(gòu)高度還原天然皮革的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),綜合性能優(yōu)異[18,19].Bae等[20]使用PA6納米纖維和聚丙烯(PP)作為摩擦電層,構(gòu)筑了基于納米微纖維的TENG,通過不同方式可產(chǎn)生33.93 V、23.10 V、12.52 V的輸出電壓,同時(shí)可以為商用LED供能.現(xiàn)階段水性聚氨酯(WPU)作為浸漬樹脂制備水性超細(xì)纖維合成革發(fā)展迅速,WPU以水作為分散介質(zhì),不僅彌補(bǔ)了溶劑型PU生產(chǎn)過程中使用有機(jī)溶劑的缺陷,降低原料成本,而且減弱了溶劑對(duì)環(huán)境的污染以及人體健康的損害.Li等[21]通過懸浮沉降法制備了兩種具有不對(duì)稱電性能的聚偏氟乙烯和WPU基Janus薄膜,其具有749.8 dB·cm2·g-1的電磁屏蔽性能以及構(gòu)筑的TENG具有1.1 W/m2的輸出功率密度.石墨烯(Gr)具有優(yōu)異的電子傳輸性能、導(dǎo)熱性、機(jī)械性、生物相容性,是構(gòu)建導(dǎo)電柔性材料的理想納米材料之一,被廣泛應(yīng)用于能量存儲(chǔ)、導(dǎo)電導(dǎo)熱、智能監(jiān)控等領(lǐng)域.Yang等[22]通過微納米注射成型技術(shù)將Gr嵌入聚四氟乙烯(PTFE)中制成Gr-PTFE薄膜,其構(gòu)筑的TENG短路電流和開路電壓在150 000次循環(huán)使用后僅下降了17.7%和16.6%,并在連續(xù)敲擊下可點(diǎn)亮100個(gè)LED燈泡,在能源領(lǐng)域具有巨大潛力.

本課題組前期以WPU為基材,復(fù)合Gr制備石墨烯/水性聚氨酯(Gr/WPU)多孔材料,證明其具有良好的綜合性能與電學(xué)性能[23].因此,本文充分利用仿生超細(xì)纖維復(fù)合材料表面微納米纖維結(jié)構(gòu)以及豐滿柔軟的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),選擇尼龍6/堿溶性聚酯非織造布(PA6/COPET/NW)為底材.以綠色環(huán)保的WPU作為交聯(lián)結(jié)合體,進(jìn)一步引入Gr增強(qiáng)電負(fù)性,通過浸漬、堿減量等工藝制備石墨烯/水性聚氨酯/超細(xì)纖維復(fù)合材料(GWPU/MF);最后再次浸漬Gr制備增強(qiáng)石墨烯/水性聚氨酯/超細(xì)纖維復(fù)合材料(SGWPU/MF),將其與PTFE構(gòu)筑具有表面微觀結(jié)構(gòu)又具有良好電負(fù)性的TENG(SGWM-TENG).對(duì)SGWPU/MF微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、衛(wèi)生性能、電學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)性的探究與分析,同時(shí)對(duì)SGWM-TENG進(jìn)行摩擦輸出、能量收集以及理論模擬檢測(cè).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

1.1.1 主要試劑與材料

氫氧化鈉(NaOH),天津市天力化學(xué)試劑有限公司;N-甲基吡咯烷酮(NMP),天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;十二烷基三甲基溴化銨,天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠;PA6/COPET非織造布(厚度為1.95 mm,單位面積克重為390 g/m2),吉安市三菱超細(xì)纖維有限公司;石墨烯(Gr),江蘇先豐納米材料科技有限公司;石墨烯/水性聚氨酯(Gr/WPU),實(shí)驗(yàn)室自制.

1.1.2 主要儀器

SCIENTZ-II D型超聲分散機(jī),寧波新芝生物科技股份有限公司;J 63108型定重式測(cè)厚儀,桂林量具刀具廠;FEIQ 45型掃描電子顯微鏡(SEM),美國FEI公司;ZST-121型體積表面電阻率測(cè)試儀,北京中航時(shí)代儀器設(shè)備有限公司;YG 522型耐磨測(cè)試儀,廣東省東莞市方圓儀器有限公司;MX-1080型萬能拉力機(jī),東莞市恒邦儀器設(shè)備有限公司;GT-303型柔軟度測(cè)試儀,高鐵檢測(cè)儀器有限公司;TR100型袖珍式表面粗糙度儀,堀揚(yáng)精密量儀上海有限公司;LFY-261型H.C弗多羅夫皮革透氣性測(cè)定儀,高鐵檢測(cè)儀器有限公司;透水汽性實(shí)驗(yàn)皿,高鐵檢測(cè)儀器有限公司;PARSTAT 4000+型普林斯頓恒電位電流計(jì),北京麥爾泰克科技有限公.

1.2 材料制備

1.2.1 增強(qiáng)石墨烯/水性聚氨酯/超細(xì)纖維復(fù)合材料的制備

在本課題組前期Gr/WPU制備的基礎(chǔ)上,以PA6/COPET/NW質(zhì)量計(jì),稱取0.0%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)Gr,制備Gr/WPU(配比為1∶100,WPU固含量計(jì))作為浸漬漿料.

對(duì)PA6/COPET/NW進(jìn)行預(yù)處理,浸漬不同Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Gr/WPU漿料,反復(fù)軋壓、干燥制備石墨烯/水性聚氨酯/非織造布(GWPU/NW);之后,采用十二烷基三甲基溴化銨進(jìn)行陽離子表面活性劑處理,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液進(jìn)行堿減量工藝,直至GWPU/NW開纖完全得到石墨烯/水性聚氨酯/超細(xì)纖維復(fù)合材料(GWPU/MF);最后,再次浸漬10 mg/L Gr分散液,烘干得到增強(qiáng)石墨烯/水性聚氨酯/超細(xì)纖維復(fù)合材料(SGWPU/MF).SGWPU/MF復(fù)合材料具體的制備流程如圖1所示.

圖1 SGWPU/MF復(fù)合材料制備流程示意圖

1.2.2 增強(qiáng)石墨烯/水性聚氨酯/超細(xì)纖維復(fù)合材料摩擦納米發(fā)電機(jī)構(gòu)筑

裁取5 cm*5 cm大小的SGWPU/MF作為TENG摩擦層,銅膠帶構(gòu)筑電極.采取相同方法制備相同大小的PTFE摩擦層,從而將兩者組裝為垂直接觸分離式與水平滑動(dòng)式工作模式的SGWM-TENG,具體如圖2所示.

圖2 SGWM-TENG結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 表征

1.3.1 形貌表征

使用液氮進(jìn)行淬斷,裁取為小樣觀察表面與截面形貌,加速電壓為20 kv.

1.3.2 機(jī)械性能

按照國標(biāo)(GB/T 1040.3-2006)要求制為啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣,進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)后采用MX-1080型萬能拉力機(jī)測(cè)試樣品拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率與撕裂力、撕裂強(qiáng)度.

裁取耐磨試樣標(biāo)準(zhǔn)大小,采用YG 522型耐磨測(cè)試儀測(cè)試樣品表面耐磨情況,負(fù)重為500 g,摩擦次數(shù)為200次.

1.3.3 衛(wèi)生性能

按照國標(biāo)(GB/T39371-2020)要求制標(biāo)準(zhǔn)樣,采用GT-303型柔軟度測(cè)試儀測(cè)試樣品柔軟度.

采用TR100型袖珍式表面粗糙度儀測(cè)試樣品表面粗糙度.將空氣調(diào)節(jié)后的試樣平放于光滑整潔試驗(yàn)臺(tái),將袖珍式粗糙度儀調(diào)制合適的測(cè)量范圍,放置于試樣表面,重復(fù)測(cè)試五次,在試樣每個(gè)部分選擇有不同的明顯特征的部位進(jìn)行測(cè)試,最后取平均值則為該試樣粗糙度值.

按照國標(biāo)(GB/T4689.22-1996)要求制標(biāo)準(zhǔn)樣,采用LFY-261型H.C弗多羅夫皮革透氣性測(cè)定儀對(duì)樣品進(jìn)行透氣性測(cè)試.

按照國標(biāo)(GB/T39369-2020)要求制標(biāo)準(zhǔn)樣,采用透水汽性實(shí)驗(yàn)皿進(jìn)行樣品透水汽性測(cè)試.

1.3.4 電學(xué)性能

樣品裁剪為標(biāo)準(zhǔn)試樣,采用ZST-121型體積表面電阻率測(cè)試儀測(cè)試樣品表面電阻率.TENG采用PARSTAT 4000+型普林斯頓恒電位電流計(jì)測(cè)試樣品摩擦生電的開路電壓信號(hào)變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌表征

超細(xì)纖維單絲線密度遠(yuǎn)低于普通化纖,決定了超細(xì)纖維優(yōu)異的力學(xué)性能、大比表面、高密度幾何特性以及一定的光學(xué)性能[24],同時(shí)PA6纖維摩擦系數(shù)極高[25],使其在摩擦?xí)r容易產(chǎn)生電荷,增強(qiáng)TENG輸出性能.圖3為PA6/COPET與Gr含量為2.0%的SGWPU/MF的微觀形貌圖.由圖3(c)、(d)可以看出,SGWPU/MF中PA6纖維與圖3(a)、(b)中PA6/COPET復(fù)合纖維相比有明顯的細(xì)化,說明連續(xù)相COPET被堿催化降解去除,使海島纖維變成PA6超細(xì)纖維束,其單絲纖度可達(dá)到0.05分特克斯,達(dá)到準(zhǔn)納米等級(jí),模擬膠原纖維結(jié)構(gòu).進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)SGWPU/MF有明顯的WPU固著,將PA6超細(xì)纖維束連接成為一個(gè)整體,實(shí)現(xiàn)“海島纖維”結(jié)構(gòu)到“超細(xì)纖維-水性聚氨酯”結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,WPU的泡孔結(jié)構(gòu)結(jié)合纖維的松散分布,還原了皮革網(wǎng)狀層內(nèi)部結(jié)構(gòu),達(dá)到“仿真”效果.此外通過觀察SGWPU/MF表面,可以發(fā)現(xiàn)其具有裸露在外的超細(xì)纖維束,其高低不平的表面結(jié)構(gòu)近似還原皮革粒面層,總的來說,通過三者作用“相輔相成”,使SGWPU/MF形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性能高度還原天然皮革,其材料特性、表面結(jié)構(gòu)與立體三維網(wǎng)絡(luò)滿足高性能TENG的前提條件.

與光滑原纖維表面相比,SGWPU/MF中PA6纖維與WPU表面有Gr片層出現(xiàn),說明Gr成功引入到SGWPU/MF中,賦予其優(yōu)異的衛(wèi)生性能與摩擦電性能.圖4為PA6/COPET與Gr含量為2.0%的SGWPU/MF的超景深3D形貌圖.由圖4可以發(fā)現(xiàn),PA6/COPET由于纖維松散,其表面呈現(xiàn)高低不平現(xiàn)象,整體上跨度明顯.而SGWPU/MF纖維被WPU固著,降低了材料離散程度,同時(shí)其表面具有一定微觀結(jié)構(gòu),促進(jìn)其電荷產(chǎn)生與流動(dòng),從而增強(qiáng)其摩擦電性能.

圖4 PA6/COPET與SGWPU/MF的超景深形貌圖

2.2 力學(xué)性能表征

由圖5和圖6可以看出,隨著Gr含量的增加,二者都呈現(xiàn)先增大后減小的變化,當(dāng)Gr含量為2.0%時(shí),拉伸強(qiáng)度為15.20 MPa,斷裂伸長率為95.23%,撕裂強(qiáng)度為116.63 N/mm,撕裂力為134.16 N.由此可見,SGWPU/MF機(jī)械性能主要以超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主體,WPU作為交聯(lián)結(jié)合體,其凝固狀態(tài)會(huì)在一定程度上影響復(fù)合材料整體機(jī)械性能.Gr由于自身機(jī)械強(qiáng)度較高,在與WPU復(fù)合前期分散均勻,充當(dāng)填料的作用,調(diào)節(jié)WPU內(nèi)部結(jié)構(gòu),同時(shí)與WPU大分子形成一定的氫鍵作用,減少了應(yīng)力集中,從而使力學(xué)性能提升;當(dāng)Gr含量超出3.0%后,Gr片層團(tuán)聚,成為應(yīng)力集中點(diǎn),同時(shí)填料用量過多,WPU易產(chǎn)生泡孔缺陷,造成凝固聚集,一定程度改變纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致SGWPU/MF整體力學(xué)性能降低.

圖5 不同Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SGWPU/MF的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率

圖6 不同Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SGWPU/MF的撕裂強(qiáng)度與撕裂力

圖7為不同Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SGWPU/MF的耐磨性能.由圖7可知,隨著Gr含量的增加,磨損量呈現(xiàn)先降低后增加的變化,變化量保持在10-2級(jí)別,當(dāng)Gr含量為2.0%時(shí)耐磨性能最優(yōu).同時(shí)由插圖可以看出,WPU極大程度上保護(hù)超細(xì)纖維,承擔(dān)表面磨損.在磨損過程中,表面游離超細(xì)纖維與Gr首先被破壞,暴露出底層WPU固化的超細(xì)纖維,之后WPU發(fā)揮作用,抵抗大部分磨損破壞,從而出現(xiàn)不同Gr含量的磨損變化.基于Gr本身優(yōu)異的強(qiáng)度與比表面積,在引入Gr后提高了WPU的交聯(lián)程度與表面硬度,同時(shí)改善泡孔,生成緊密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)耐磨性能.當(dāng)Gr含量過多時(shí),片層團(tuán)聚,改變WPU結(jié)構(gòu),同時(shí)影響WPU與超纖結(jié)合,耐磨性能反而變?nèi)?

圖7 不同Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SGWPU/MF的耐磨性能以及測(cè)試實(shí)物圖

2.3 衛(wèi)生性能表征

對(duì)于織物型TENG,其使用目的大多是為了收集人體產(chǎn)生的機(jī)械能,使用場(chǎng)景是密切貼合人體的服裝、鞋具等[26],這不僅要求其具有良好的自供電性能、同時(shí)要求柔軟舒適、具有透氣排汗等功能,因此其衛(wèi)生性能至關(guān)重要,如透氣性、透水汽性、柔軟度、粗糙度等.

圖8為不同Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SGWPU/MF的透氣性與透水汽性能.由圖8可以發(fā)現(xiàn),隨著Gr含量的增加,透氣性先減小后增大,在添加Gr后迅速降低至波動(dòng)范圍較小的區(qū)間;而透水汽性能先增大后減小,當(dāng)Gr含量為2.0%時(shí),透氣性為4 534.01 mL/cm2·h,透水汽性為649.60 mg/10 cm2·24 h.這可能是由于Gr成為填料發(fā)揮作用,極大程度上影響了泡孔的形成與大小,同時(shí)可能會(huì)填充部分泡孔,從而影響透氣性能.對(duì)于透水汽性而言,由于Gr有一定的疏水性,使得一定的水汽在透過泡孔時(shí)加速排出,增加了整體透過的水汽量.所以在Gr含量少于2.0%時(shí),疏水性成為主要影響作用,透水汽性增強(qiáng);在大于5.0%之后Gr作為填料,影響泡孔,使得透水汽性減弱.

圖8 不同Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SGWPU/MF的透氣性與透水汽性能

摩擦層在制備過程中需要進(jìn)行一定的粗糙處理,從而增大不同摩擦層的接觸面積,提高TENG對(duì)信號(hào)的靈敏性,以及轉(zhuǎn)化信號(hào)的輸出性能[27].通過柔軟度測(cè)定儀來表征人體接觸材料時(shí)的舒適度,袖珍式表面粗糙度儀進(jìn)行粗糙度測(cè)定實(shí)驗(yàn),可一定程度上反映粗糙度對(duì)摩擦起電的影響,如圖9所示.隨著Gr含量的增加,柔軟度先增大后減小,粗糙度一直呈現(xiàn)增大的變化.當(dāng)Gr含量為2.0%時(shí),柔軟度達(dá)到7.50,較空白試樣增加了8.72%,粗糙度Ra達(dá)到4.93 μm,較空白試樣增加了15.19%,由于粗糙度不僅影響人體觸感的舒適度,同時(shí)會(huì)一定程度上影響摩擦起電的效率,所以2.0%較為適中.分析原因?yàn)?針對(duì)粗糙度而言,Gr本身是一種剛性材料,所以在浸漬過Gr分散液后附著在復(fù)合材料表面,Gr含量越多,粗糙度越高.而對(duì)于柔軟度而言,當(dāng)Gr/WPU中所含Gr較少時(shí),Gr與WPU充分混合均勻,影響WPU的凝固狀態(tài),使得浸漬時(shí)產(chǎn)生的泡孔增多或是增大,從而柔軟度提升;當(dāng)Gr含量較多時(shí),Gr片層團(tuán)聚,改變SGWPU/MF泡孔結(jié)構(gòu),使連續(xù)性、貫穿性的大孔減少,從而降低了柔軟度.

圖9 不同Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SGWPU/MF的柔軟度與粗糙度

2.4 電學(xué)性能表征

圖10為不同Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SGWPU/MF的電阻率.由圖10可以發(fā)現(xiàn),隨著Gr含量的增加,表面電阻率與體積電阻率都出現(xiàn)逐漸減小的變化,當(dāng)Gr含量為2.0%時(shí),表面電阻率為1.15×108Ω·cm,體積電阻率為5.1×109Ω·cm.由此可知,Gr的引入成功賦予超纖材料一定的電學(xué)性能,當(dāng)Gr含量的持續(xù)增長,其在WPU中的分散會(huì)更加密集,從而使電子運(yùn)動(dòng)面增加,開辟更多的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),使得電阻率不斷下降.當(dāng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一定閾值時(shí),Gr片層團(tuán)聚,形成多導(dǎo)電通道疊加,使得電學(xué)性能緩步增加,不會(huì)出現(xiàn)驟變現(xiàn)象.圖11為表征其電學(xué)性能實(shí)際應(yīng)用實(shí)物圖,可以看到在將其連接在導(dǎo)電回路中,能夠使燈泡正常發(fā)光,說明其具有一定的導(dǎo)電性能.

圖10 不同Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SGWPU/MF的表面電阻率與體積電阻率

圖11 Gr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)SGWPU/MF在導(dǎo)電回路中導(dǎo)通燈泡實(shí)物圖

TENG基于摩擦起電與靜電感應(yīng)原理,當(dāng)兩種不同材料摩擦后會(huì)使其分別帶有相反電荷,在兩者之間形成電勢(shì)差,形成回路后產(chǎn)生電流,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械能量的收集與應(yīng)用[28].本論文選用電負(fù)性強(qiáng)的聚四氟乙烯作為負(fù)摩擦層,與SGWPU/MF共同構(gòu)筑TENG,采用垂直接觸分離式與水平滑動(dòng)式兩種工作模式,通過改變外界影響因素對(duì)其進(jìn)行輸出信號(hào)分析,從而探究SGWM-TENG自供電性能,如圖12所示.首先對(duì)SGWM-TENG進(jìn)行有限元模擬(COMSOL),如圖13所示,設(shè)定GWPU/MF與PTFE之間的距離為1.0 cm.模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著正負(fù)摩擦層間距離的減小,其電勢(shì)差也不斷減小.該模擬結(jié)果符合TENG工作原理理論.

圖12 垂直接觸分離式與水平滑動(dòng)式SGWM-TENG工作原理示意圖

在垂直接觸分離式的工作模式下,隨著Gr含量的增加,其輸出電壓出現(xiàn)先增加后減小的變化,當(dāng)Gr含量為2.0%時(shí),SGWM-TENG的輸出電壓可達(dá)155 V,如圖14(a)所示;隨著負(fù)載壓力的增加,其輸出電壓也不斷增加,在15 KPa作用力下,其輸出電壓可達(dá)到170 V,如圖14(b)所示;此外,隨著負(fù)載頻率的增加,其輸出電壓同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),即使在低頻負(fù)載條件(5 Hz)下,該SGWM-TENG仍能達(dá)到65 V的輸出電壓,如圖14(c)所示.這可能是由于在初始增加作用頻率時(shí),改變回路距離,加快了界面電荷流動(dòng),從而導(dǎo)致輸出電壓的增加.但是,當(dāng)達(dá)到一定速度時(shí),其形變沒有完全恢復(fù),使得其材料表面微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致電荷收集程度降低,從而使得SGWM-TENG的輸出電壓降低.

圖14 SGWM-TENG的輸出信號(hào)

圖14(d)為水平滑動(dòng)式SGWM-TENG在不同作用力下輸出信號(hào).可以發(fā)現(xiàn),隨著作用力的增加,其輸出信號(hào)也隨之增加,在10 KPa作用力下,其輸出電壓可達(dá)到10 V.這進(jìn)一步說明SGWM-TENG在水平滑動(dòng)式工作模式下同樣表現(xiàn)出良好的自供電性能.

圖15為在垂直接觸分離工作模式下500次循環(huán)的輸出信號(hào),可以發(fā)現(xiàn)SGWM-TENG持續(xù)具備150 V波動(dòng)下的輸出電壓,說明其在經(jīng)過多次使用后仍具有穩(wěn)定的自供電輸出性能以及可重復(fù)使用性.

如圖16(a)所示,將SGWM-TENG與整流橋連接[29],在10 KPa作用力下SGWM-TENG以兩種工作模式均可以使44個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓為3 V的LED燈泡發(fā)光,如視頻1所示.此外,本文進(jìn)一步探究了其實(shí)際應(yīng)用效果,通過構(gòu)筑濾波、整流、存儲(chǔ)等效果電路板,將收集電荷轉(zhuǎn)化為直流電壓,用于電子手表與計(jì)時(shí)器工作,如圖16(b)所示,可以發(fā)現(xiàn),通過外界摩擦產(chǎn)生的電荷量可以滿足兩者正常工作的需求,如視頻2所示.這進(jìn)一步說明SGWM-TENG可以有效的收集外界機(jī)械能量,并可以實(shí)現(xiàn)其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用.

圖16 SGWM-TENG的實(shí)際應(yīng)用

3 結(jié)論

本文選用PA6/COPET/NW為底材,經(jīng)Gr/WPU浸漬、堿減量、再浸漬Gr等工藝制備SGWPU/MF,與PTFE構(gòu)筑SGWM-TENG并探究其自供電性能,主要結(jié)論如下:

(1)當(dāng)Gr含量為2.0%時(shí),SGWPU/MF具有優(yōu)異的衛(wèi)生性能,透氣性為4 534.005 mL/cm2·h,透水汽性為649.6 mg/10 cm2·24 h,柔軟度為7.50,粗糙度Ra為4.93 μm;且具有優(yōu)異的力學(xué)性能,拉伸強(qiáng)度為15.20 MPa,斷裂伸長率為95.23%,撕裂強(qiáng)度為116.63 N/mm,撕裂力為134.16 N,耐磨性能優(yōu)異.

(2)利用仿生天然皮革結(jié)構(gòu),增強(qiáng)表面微觀結(jié)構(gòu)與材料自身電負(fù)性影響因素,使得SGWM-TENG具有優(yōu)異的自供電性能,輸出電壓最高可達(dá)170V,能夠點(diǎn)亮44個(gè)LED燈,并能為商業(yè)手表與計(jì)時(shí)器供能.

通過該方法制備的SGWPU/MF綜合性能優(yōu)異,在織物材料領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?同時(shí)其構(gòu)筑TENG具有大輸出信號(hào),能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實(shí)供能,在仿生、能源、綠色、可持續(xù)發(fā)展等方面具有廣闊的發(fā)展前景.