DOI: 10.1021/acsami.1c00983
摩擦發電機可將機械能轉化為電能，是智能紡織品應用的理想選擇。通過在導電芯上涂覆摩擦電材料可將這種裝置制備成紗線，而現有的摩擦電紗線缺乏紡織品應用所需的耐久性和耐洗性。在這項工作中，研究者開發了一種包含導電碳納米管（CNT）紗線電極的獨特摩擦電紗線，該電極涂覆有通過定制靜電紡絲工藝沉積的聚偏氟乙烯（PVDF）纖維。研究表明，靜電紡絲PVDF纖維能很好地粘附在碳納米管芯上，從而產生均勻且穩定的摩擦電涂層。PVDF-CNT同軸紗線在疲勞試驗過程中表現出顯著的摩擦電能量收集能力，在200000次疲勞循環后的功率輸出提高了33％，峰值功率密度為20.7μW/cm2。這可能是由于反復接觸后PVDF纖維涂層的活性表面積增加所致。此外，該摩擦電紗線在1200次摩擦循環和10次洗滌循環中均保留了其功能性，從而在耐磨性和耐洗性上達到了紡織行業的標準。本研究展示了摩擦電紗線在基于原型紡織品的應用中的能量采集和運動傳感功能，從而突出了其在智能紡織品中的適用性。
圖1.摩擦電紗線的制備與表征。（a）摩擦電紗線芯-鞘結構的示意圖。（b）摩擦電紗線的制備裝置示意圖。該裝置基于帶有定制旋轉收集器的靜電紡絲機。（c，d）摩擦紗線的橫截面和長度的SEM圖像。（e）摩擦電紗線的照片。
圖2.定制涂層制備工藝以獲取耐久性和高摩擦電性能。（a）和（b）在靜電紡絲過程中使用60％相對濕度生產的PVDF纖維的表面形貌和表面電勢。虛線是線掃描的位置。（c）60％相對濕度纖維表面電位的線掃描。虛線表示纖維的表面電位。（d）和（e）在靜電紡絲過程中使用30％相對濕度生產的PVDF纖維的表面形貌和表面電勢。虛線是線掃描的位置。（f）30％相對濕度纖維表面電位的線掃描。虛線表示纖維的表面電勢。（g）纖維氈的表面電勢。記錄幾根纖維的多次測量值并取平均值。（h）在30％和60％相對濕度下制備的PVDF墊的功率與電阻的關系。對剛制造好和18萬次循環后的樣品進行測量，以評估疲勞性能。插圖顯示了初始測量值。
圖3.摩擦電紗線的電學特性。（a）摩擦電紗線在不同電阻下的RMS電壓和電流輸出。（b）摩擦電紗線在不同電阻下的RMS功率輸出。（c）摩擦電紗線的開路電壓。（d）摩擦電紗線的短路電流。（e）涂層厚度增長的摩擦電紗線在不同電阻下的RMS功率輸出。
圖4.摩擦電紗線的耐久性和耐洗性表征。（a）摩擦電紗線的疲勞評估。摩擦電紗線在不同電阻下的RMS功率輸出。（b）相同的摩擦電紗線在剛制造好和20萬次攻絲循環后的SEM圖像。（c）摩擦測試裝置的示意圖。在鋼球摩擦樣品時，將不斷測量摩擦電紗線和鋼球之間的電阻。插圖顯示了摩擦電紗線和鋼球之間的接觸。（d）摩擦循環中摩擦電紗線和鋼球之間的電阻。虛線突出顯示了涂層開始分層的失效點。（e）摩擦電紗線的耐洗性評估。摩擦電紗線在不同電阻下的RMS功率輸出。（f）相同的摩擦電紗線在剛制造好和20萬次洗滌循環后的SEM圖像。
圖5.能量收集和智能紡織品傳感應用。（a）使用兩個不同電容器的摩擦電紗線的電容器充電曲線。采用全橋整流器對輸出進行整流。插圖顯示了由摩擦電紗線供電的LED。（b）使用摩擦電紗線感應手臂運動。通過將紗線放在腋下將其整合到實驗室外套中。藍色和紅色曲線分別顯示了手臂向前和向后運動引起的Voc。運動方向在插圖中顯示。（c）演示集成在手套上的摩擦電紗線的觸覺電勢。將紗線（長度為5cm）連接到手套的食指。（d）摩擦電紗線的力傳感靈敏度。使用稱重傳感器測量所施加的力。
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