DOI: 10.1021/acsami.1c00983
摩擦发电机可将机械能转化为电能，是智能纺织品应用的理想选择。通过在导电芯上涂覆摩擦电材料可将这种装置制备成纱线，而现有的摩擦电纱线缺乏纺织品应用所需的耐久性和耐洗性。在这项工作中，研究者开发了一种包含导电碳纳米管（CNT）纱线电极的独特摩擦电纱线，该电极涂覆有通过定制静电纺丝工艺沉积的聚偏氟乙烯（PVDF）纤维。研究表明，静电纺丝PVDF纤维能很好地粘附在碳纳米管芯上，从而产生均匀且稳定的摩擦电涂层。PVDF-CNT同轴纱线在疲劳试验过程中表现出显著的摩擦电能量收集能力，在200000次疲劳循环后的功率输出提高了33％，峰值功率密度为20.7μW/cm2。这可能是由于反复接触后PVDF纤维涂层的活性表面积增加所致。此外，该摩擦电纱线在1200次摩擦循环和10次洗涤循环中均保留了其功能性，从而在耐磨性和耐洗性上达到了纺织行业的标准。本研究展示了摩擦电纱线在基于原型纺织品的应用中的能量采集和运动传感功能，从而突出了其在智能纺织品中的适用性。
图1.摩擦电纱线的制备与表征。（a）摩擦电纱线芯-鞘结构的示意图。（b）摩擦电纱线的制备装置示意图。该装置基于带有定制旋转收集器的静电纺丝机。（c，d）摩擦纱线的横截面和长度的SEM图像。（e）摩擦电纱线的照片。
图2.定制涂层制备工艺以获取耐久性和高摩擦电性能。（a）和（b）在静电纺丝过程中使用60％相对湿度生产的PVDF纤维的表面形貌和表面电势。虚线是线扫描的位置。（c）60％相对湿度纤维表面电位的线扫描。虚线表示纤维的表面电位。（d）和（e）在静电纺丝过程中使用30％相对湿度生产的PVDF纤维的表面形貌和表面电势。虚线是线扫描的位置。（f）30％相对湿度纤维表面电位的线扫描。虚线表示纤维的表面电势。（g）纤维毡的表面电势。记录几根纤维的多次测量值并取平均值。（h）在30％和60％相对湿度下制备的PVDF垫的功率与电阻的关系。对刚制造好和18万次循环后的样品进行测量，以评估疲劳性能。插图显示了初始测量值。
图3.摩擦电纱线的电学特性。（a）摩擦电纱线在不同电阻下的RMS电压和电流输出。（b）摩擦电纱线在不同电阻下的RMS功率输出。（c）摩擦电纱线的开路电压。（d）摩擦电纱线的短路电流。（e）涂层厚度增长的摩擦电纱线在不同电阻下的RMS功率输出。
图4.摩擦电纱线的耐久性和耐洗性表征。（a）摩擦电纱线的疲劳评估。摩擦电纱线在不同电阻下的RMS功率输出。（b）相同的摩擦电纱线在刚制造好和20万次攻丝循环后的SEM图像。（c）摩擦测试装置的示意图。在钢球摩擦样品时，将不断测量摩擦电纱线和钢球之间的电阻。插图显示了摩擦电纱线和钢球之间的接触。（d）摩擦循环中摩擦电纱线和钢球之间的电阻。虚线突出显示了涂层开始分层的失效点。（e）摩擦电纱线的耐洗性评估。摩擦电纱线在不同电阻下的RMS功率输出。（f）相同的摩擦电纱线在刚制造好和20万次洗涤循环后的SEM图像。
图5.能量收集和智能纺织品传感应用。（a）使用两个不同电容器的摩擦电纱线的电容器充电曲线。采用全桥整流器对输出进行整流。插图显示了由摩擦电纱线供电的LED。（b）使用摩擦电纱线感应手臂运动。通过将纱线放在腋下将其整合到实验室外套中。蓝色和红色曲线分别显示了手臂向前和向后运动引起的Voc。运动方向在插图中显示。（c）演示集成在手套上的摩擦电纱线的触觉电势。将纱线（长度为5cm）连接到手套的食指。（d）摩擦电纱线的力传感灵敏度。使用称重传感器测量所施加的力。
