芳綸簇絨織物摩擦發(fā)電性能測(cè)試分析

孫 通 吳雙全 李 雅 徐思峻 張成蛟

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.曠達(dá)汽車飾件系統(tǒng)有限公司，江蘇常州，213000）

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，智能可穿戴設(shè)備越來越受人們歡迎。人體運(yùn)動(dòng)過程（呼吸、奔跑等）中會(huì)產(chǎn)生大量的機(jī)械能，其中一部分在維持生命活動(dòng)中消耗，另一部分通過對(duì)外界做功而損耗。如果能將散失的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為供電的電能，則可以促進(jìn)智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展。

摩擦納米發(fā)電機(jī)的問世讓人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能成為可能。摩擦納米發(fā)電機(jī)是電負(fù)性差異較大的兩種材料，在接觸與分離的過程中，靜電感應(yīng)作用迫使電荷發(fā)生定向移動(dòng)產(chǎn)生電勢(shì)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能［1-2］。紡織基摩擦納米發(fā)電機(jī)一般是以纖維或織物為基本組織單元的一種較為新型的摩擦納米發(fā)電機(jī)，具有可折疊、易彎曲、耐磨損、穿著舒適等特性，更有利于從人體周圍環(huán)境、人體運(yùn)動(dòng)中獲取并收集能量［3-5］。目前紡織基摩擦納米發(fā)電機(jī)包含纖維基摩擦納米發(fā)電機(jī)和織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)兩類，兩類相比較，織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出電學(xué)性能較高，結(jié)構(gòu)與性能更符合可穿戴設(shè)備的要求，受到較多研究者關(guān)注。例如：WANG K等在錦綸表面添加一層十六烷液膜，制備了一種基于十六烷夾層結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)，其最大輸出電壓和功率分別是傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的2.3倍和10.9倍［6］。WANG J等將多孔柔性層、PDMS板和防水柔性導(dǎo)電織物進(jìn)行熱壓組合，形成三維單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)不僅提高了摩擦電學(xué)輸出，還有良好的耐濕性能［7］。SU M等將碳納米管與絲素蛋白混合溶劑噴涂于用靜電紡絲技術(shù)制備的絲纖維膜表面，并將纖維膜編織成紡織品，從而獲得了具有微層狀結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)，該摩擦納米發(fā)電機(jī)具有良好的舒適性以及較好的電學(xué)輸出性能［8］?？梢钥闯?，上述研究主要從材料結(jié)構(gòu)入手，通過提高納米發(fā)電機(jī)電荷轉(zhuǎn)移效率提高摩擦發(fā)電功率，材料結(jié)構(gòu)往往較復(fù)雜。實(shí)際上，提高摩擦納米發(fā)電機(jī)電學(xué)性能不僅要提高電荷轉(zhuǎn)移效率，更重要的是從源頭上提高摩擦材料間的接觸面積。受限于材料本身彎曲剛度和粗糙度，材料間的接觸面積遠(yuǎn)低于實(shí)際接觸面積，大大降低了材料間的電荷轉(zhuǎn)移量。目前，受限于材料二維接觸面自身缺陷，通過提高材料間的有效接觸面積提高發(fā)電效率的研究較少，且難度較大［9］。

自然界中壁虎的腳掌具有較強(qiáng)的黏附力，主要源于其腳掌亞微米級(jí)的絨毛結(jié)構(gòu)。該絨毛與材料接觸時(shí)表現(xiàn)出了超高的自適應(yīng)性，絨毛尖端能夠探入并接觸到墻體凹凸結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而大大提高兩者間的接觸效率［10］。受此啟發(fā)，我們利用纖維絨結(jié)構(gòu)模擬壁虎腳掌結(jié)構(gòu)制備具有良好適應(yīng)性的織物摩擦發(fā)電機(jī)。芳綸1414具有優(yōu)異的耐磨性、耐高溫性、耐彎曲性能以及優(yōu)異的摩擦發(fā)電性能，以其為摩擦層。將芳綸1414紗線穿入柔性不銹鋼金屬板中制備芳綸紗線簇絨織物，研究簇絨織物摩擦發(fā)電性能，為提高摩擦發(fā)電機(jī)發(fā)電效率提供新的思路。制備的織物在自供能智能感應(yīng)地毯、智能可穿戴服裝、智能感應(yīng)玩具等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

芳綸1414紗線（線密度14.5 tex×2）；芳綸1313織物以及芳綸1414織物（經(jīng)緯紗線密度均為14.5 tex×2，煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司）；羊毛織物、棉織物、錦綸織物和滌綸織物的單位面積質(zhì)量均為200 g/m2左右，經(jīng)密緯密不同（市售）；柔性金屬網(wǎng)（25目，市售）；丙酮（分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

JC101型電熱鼓風(fēng)干燥箱（南通嘉誠(chéng)儀器有限公司），SHA-CA型水浴恒溫振蕩器（江蘇科析儀器有限公司），6514型可編程靜電計(jì)（美國(guó)吉時(shí)利儀器公司），自制接觸分離設(shè)備。

1.3 樣品制備

如圖1所示，將適量根數(shù)芳綸1414紗線穿入2 cm×2 cm的柔性金屬網(wǎng)網(wǎng)眼中，得到纖維簇絨織物。將簇絨織物浸于丙酮溶液中，磁力攪拌12 h后用去離子水多次洗滌，置于80℃烘箱中充分干燥，最后置于避光處保存?zhèn)溆?。每個(gè)網(wǎng)眼所含紗線根數(shù)為絨毛密度，單位為根/眼；紗線伸出金屬網(wǎng)的長(zhǎng)度為絨毛長(zhǎng)度。

圖1 樣品制備流程圖

1.4 摩擦發(fā)電性能測(cè)試

如圖2所示，利用單電極法將被測(cè)織物與地線相連。在室內(nèi)環(huán)境（溫度25℃，相對(duì)濕度45%）中采用6514型可編程靜電計(jì)測(cè)試簇絨織物與不同織物接觸分離產(chǎn)生的電壓、電流和功率峰-峰值，計(jì)算各峰-峰值平均值。測(cè)試壓力和測(cè)試頻率分別為0.74 N和2 Hz。利用單因素變量控制方法探究絨毛長(zhǎng)度、絨毛密度、纖維吸濕回潮率和接觸材料種類對(duì)摩擦發(fā)電性能的影響。

圖2 測(cè)試原理圖

絨毛長(zhǎng)度、絨毛密度對(duì)摩擦電性能的影響。將絨毛長(zhǎng)度分別為0.2 cm、0.8 cm、1.4 cm和2.0 cm的芳綸1414紗線分別穿入2 cm×2 cm的柔性不銹鋼金屬網(wǎng)板中制得樣品，其中絨毛密度為10根/眼。經(jīng)充分烘干后，測(cè)試樣品與羊毛織物接觸分離產(chǎn)生的摩擦發(fā)電性能；以最佳的絨毛長(zhǎng)度為依據(jù)，制備絨毛密度分別為6根/眼、8根/眼、10根/眼、12根/眼的2 cm×2 cm簇絨織物，經(jīng)充分烘干后測(cè)試樣品與羊毛織物接觸分離產(chǎn)生的摩擦發(fā)電性能。

纖維吸濕回潮率對(duì)摩擦發(fā)電性能的影響。以最佳絨毛長(zhǎng)度和絨毛密度為依據(jù)制備2 cm×2 cm簇絨織物，將充分烘干的簇絨織物置于室內(nèi)環(huán)境中，通過質(zhì)量變化衡量吸濕回潮率變化情況，并測(cè)試簇絨織物在不同吸濕回潮率條件下與羊毛織物接觸分離產(chǎn)生的摩擦發(fā)電性能。

接觸面對(duì)摩擦發(fā)電性能的影響。以最佳絨毛長(zhǎng)度和絨毛密度為依據(jù)制備2 cm×2 cm簇絨織物，充分烘干后，測(cè)試簇絨織物分別與羊毛織物、棉織物、錦綸織物、滌綸織物、芳綸1313織物以及芳綸1414織物接觸分離時(shí)產(chǎn)生的摩擦發(fā)電性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)原理與測(cè)試分析

由常見材料的摩擦帶電序列可知［11］，在與其他材料摩擦的過程中，酰胺鍵更趨向于失去電子而使材料帶正電荷，而芳綸1414分子鏈內(nèi)部擁有至少85%的酰胺鍵。因此，可以推斷出芳綸1414具有良好的摩擦發(fā)電性能。除此之外，芳綸1414制備過程中的牽伸促使大分子鏈結(jié)晶區(qū)中的酰胺鍵偶極子呈現(xiàn)平行排列狀態(tài)，因此芳綸1414有一定的壓電性能［12］。在觸壓過程中，纖維絨發(fā)生彎曲，破壞了酰胺鍵偶極子平行排列的狀態(tài)，纖維絨由此發(fā)生壓電效應(yīng)。彎曲根數(shù)越多，產(chǎn)生壓電效應(yīng)的絨毛根數(shù)越多，絨毛織物壓電性能越突出。

摩擦發(fā)電機(jī)的基本工作模式包括垂直接觸-分離模式、水平滑動(dòng)模式、單電極模式以及獨(dú)立層模式［13］。在單電極模式下，摩擦層材料與主材料相互接觸時(shí)兩材料帶等量相反的電荷，此時(shí)開路電壓為0 V；當(dāng)兩材料相互分離，主材料電極與接地參考電極形成一定電勢(shì)差，由此形成開路電壓，且電勢(shì)差會(huì)驅(qū)動(dòng)主材料上的電荷流向參考電極，從而產(chǎn)生瞬時(shí)電流；當(dāng)材料由分離開始相互接觸時(shí)，主材料電極與接地參考電極電勢(shì)差減小，移動(dòng)的電荷回到主材料電極，由此再次產(chǎn)生開路電壓以及瞬時(shí)電流。單電極模式只有一個(gè)電極且電極接地，簡(jiǎn)化了摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，相比于其他三種工作模式，單電極模式更適合移動(dòng)場(chǎng)景使用［14-16］。

2.2 絨毛長(zhǎng)度和絨毛密度的影響

測(cè)試的絨毛長(zhǎng)度與摩擦發(fā)電性能的關(guān)系如圖3所示。隨著絨毛長(zhǎng)度的增加，簇絨織物的電壓、電流以及功率峰-峰值平均值均呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)絨毛長(zhǎng)度為0.8 cm時(shí)，簇絨織物的輸出電壓峰-峰值平均值達(dá)到54.68 V，輸出電流峰-峰值平均值達(dá)到575.97 n A，輸出功率峰-峰值平均值達(dá)到7.87 W/m2，遠(yuǎn)大于其他規(guī)格簇絨織物。其主要原因可能是：絨毛長(zhǎng)度為1.4 cm以及2.0 cm時(shí)，經(jīng)儀器觸壓后的絨毛呈倒伏狀，無法重新與羊毛織物充分接觸，從而減少了羊毛織物表面與簇絨織物絨毛的摩擦。除此之外，經(jīng)觸壓后，保持倒伏狀態(tài)的絨毛在后續(xù)觸壓過程中，絨毛的彎曲根數(shù)有所下降，且絨毛長(zhǎng)度越長(zhǎng)，彎曲根數(shù)越少，從而降低了芳綸的壓電效應(yīng)。而當(dāng)絨毛長(zhǎng)度為0.2 cm時(shí)，在相同壓力的作用下，絨毛與羊毛織物表面摩擦程度以及絨毛自身的彎曲根數(shù)均未達(dá)到較好水平。因此可以推斷出，在外力作用下，當(dāng)絨毛長(zhǎng)度為0.8 cm時(shí)，絨毛與羊毛織物表面的摩擦程度較高，且絨毛自身壓電性能較好。

圖3 絨毛長(zhǎng)度與摩擦發(fā)電性能的關(guān)系

將絨毛長(zhǎng)度為0.8 cm，絨毛密度分別為6根/眼、8根/眼、10根/眼、12根/眼的芳綸簇絨織物與羊毛織物接觸分離，并進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。可以看出，隨著絨毛密度的增大，簇絨織物的輸出電壓、電流以及功率峰-峰值平均值均呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)絨毛密度為10根/眼時(shí)，簇絨織物擁有最大的電壓、電流以及功率峰-峰值平均值。其可能的原因在于：當(dāng)絨毛密度為6根/眼和8根/眼時(shí)，簇絨織物與羊毛織物表面的摩擦程度較低，且隨著絨毛密度的增大，摩擦程度進(jìn)一步提高。當(dāng)絨毛密度為12根/眼時(shí)，由于絨毛密度太大，絨毛之間運(yùn)動(dòng)受限制，從而減少了絨毛之間摩擦現(xiàn)象的發(fā)生，降低了絨毛的彎曲根數(shù)。而當(dāng)絨毛密度為10根/眼時(shí)，簇絨織物的絨毛與羊毛織物之間有良好的接觸，且絨毛有良好的運(yùn)動(dòng)空間，便于絨毛受力彎曲，因此該條件下的簇絨織物具有良好的摩擦發(fā)電和壓電性能。

圖4 絨毛密度與摩擦發(fā)電性能的關(guān)系

2.3 芳綸1414吸濕回潮率的影響

將絨毛密度10根/眼、絨毛長(zhǎng)度0.8 cm的芳綸簇絨織物與羊毛織物接觸，并進(jìn)行不同回潮率下的摩擦發(fā)電性能測(cè)試，結(jié)果見表1和圖5。

表1 不同時(shí)間條件下芳綸簇絨織物質(zhì)量和回潮率

從表1可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，芳綸1414簇絨織物的質(zhì)量逐漸增加，其吸濕回潮率也逐漸增加?；爻甭实脑黾訉?duì)材料的摩擦發(fā)電性能有顯著影響［17］。從圖5可以看出，隨著回潮率的增加，簇絨織物輸出電壓、電流以及功率峰-峰值平均值均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。如圖5（b）所示，當(dāng)回潮率小于0.22%時(shí)，簇絨織物輸出功率峰-峰值平均值隨著回潮率的增加而增加，其可能原因?yàn)椋寒?dāng)回潮率較低時(shí)，纖維絨之間沒有形成連續(xù)水膜，不連續(xù)水膜為相互摩擦的絨毛表面產(chǎn)生的電荷提供了多條移動(dòng)通道，促進(jìn)電荷在材料表面轉(zhuǎn)移，從而使簇絨織物的摩擦發(fā)電輸出功率有所提升。而當(dāng)回潮率大于0.22%時(shí)，纖維絨之間形成了連續(xù)水膜，隔斷了電荷在材料之間的有效傳輸，且導(dǎo)走一部分摩擦靜電荷，從而使簇絨織物的摩擦功率下降［18-19］。

圖5 回潮率與摩擦發(fā)電性能的關(guān)系

2.4 不同接觸面的影響

將絨毛密度10根/眼、絨毛長(zhǎng)度0.8 cm的芳綸簇絨織物分別與羊毛織物、棉織物、錦綸織物、滌綸織物、芳綸1313織物以及芳綸1414織物接觸分離，并進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，電壓峰-峰值平均值依次為51.15 V、34.99 V、40.74 V、50.78 V、28.80 V、3.16 V，電流峰-峰值平均值依次為495.52 n A、330.83 n A、313.84 n A、570.50 n A、220.18 n A、14.47 n A，功率峰-峰值平均值依次為6.34 W/m2、2.89 W/m2、3.20 W/m2、7.24 W/m2、1.59 W/m2、0.01 W/m2。

可以看出，與滌綸織物和羊毛織物接觸時(shí)，芳綸簇絨織物具有較高的輸出電壓和輸出電流，與錦綸織物和棉織物次之，而與芳綸1313織物和芳綸1414織物接觸時(shí)，輸出電壓以及輸出電流較小?？赡艿脑?yàn)椋涸谙嗤Σ翖l件下，羊毛與滌綸更容易與外界發(fā)生電子交換，而在相同的溫濕度條件下，羊毛的吸濕率遠(yuǎn)大于滌綸，羊毛表面的連續(xù)水膜會(huì)導(dǎo)走部分靜電荷［19］，所以當(dāng)簇絨織物與羊毛接觸時(shí)其產(chǎn)生的輸出電流和輸出功率略低于滌綸織物。芳綸與不同面料摩擦發(fā)電功率從大到小依次為滌綸織物、羊毛織物、錦綸織物、棉織物、芳綸1313織物、芳綸1414織物。

3 結(jié)論

本研究將芳綸1414紗線穿入不銹鋼網(wǎng)板中制備了簇絨織物，通過調(diào)整絨毛長(zhǎng)度、絨毛密度以及不同接觸面材料，用單電極測(cè)試模式探究簇絨織物的摩擦發(fā)電性能，得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)絨毛長(zhǎng)度為0.8 cm且絨毛密度為10根/眼時(shí)，簇絨織物具有最佳的摩擦電學(xué)性能，與滌綸織物接觸輸出電壓、電流以及功率峰-峰值平均值分別為50.78 V、570.50 n A以及7.24 W/m2。

（2）隨著回潮率的增加，簇絨織物輸出電壓、電流以及功率峰-峰值平均值均呈先增大后減小趨勢(shì)。當(dāng)回潮率為0.22%時(shí)，簇絨織物具有最佳的輸出功率，表現(xiàn)出較好的電學(xué)輸出特性。

（3）與不同面料摩擦，發(fā)電功率從大到小依次為滌綸織物、羊毛織物、錦綸織物、棉織物、芳綸1313織物、芳綸1414織物。