静怡

东华大学纺织学院， 上海 201620

传统纺织服装的生产是一个工序繁琐、耗能高、耗时多的过程。当前，人们正在尝试使用以3D打印技术为代表的增材制造技术，推动服装行业的创新变革，以减少生产工序、节能降耗。2011年，荷兰服装设计师Iris Van Herpen在巴黎时装周上展示的利用3D打印技术制作的3D打印服装，让世人为之惊艳[1]。这种服装具有极强的立体感，富有观赏价值，但由于其原料是热固性材料，因此服装的服用性大打折扣，不适合人们的日常穿着。但研究者并没有因此而放弃对快速生产纺织面料和服装的探索。Tamicare公司经过数年研究，成功开发出一种新型3D打印面料——Cosyflex面料，由该面料制作的服装与Iris Van Herpen制作的服装相比，前者的柔软性要好很多，同时还具备良好的力学性能与手感，以及较好的服用性能[2]。

如今，科技正改变着人们的生活，它使人们的生活变得更加智能化。对于服装，人们同样也渴望智能化。所谓智能服装就是在服装中添加各种感应设备，利用这些感应设备对人体健康状态和周围环境的变化进行实时监测，以做出积极的反应。要想实现服装智能化，为各种感应设备提供电力是关键。电力的供应无非有两条途径，一条为外界供电，另一条为自身供电。外界供电是指利用电池(一般为纽扣电池)为感应设备供电；自身供电是指由服装本身提供电能，具体来说是服装将其他形式的能量转化为电能。外界供电可以提供稳定持续的电流，但其体积和质量会导致使用并不方便，因此，自身供电技术成为了目前研究的重点。文献[3]提到，王中林教授开发的纳米发电技术就是一种潜在的服装自身供能技术。若将该研究成果应用于服装上，可将人体活动产生的机械能转化为电能，从而实现为服装发电、为感应设备供电的梦想。

本文旨在尝试开发一种可快速成型的、类似于Cosyflex的面料，实现纤维到面料的一步式跨越，同时实现面料能够发电的需求。试验采用棉纤维及摩擦时失电子能力较强的水性聚氨酯和天然乳胶作为原料，通过涂覆、挤压、烘燥等工序，尝试开发一种具有一定服用性能和发电能力的弹性棉纤维面料。

1 试验器材

1.1 试验材料

棉纤维，购于好睡眠天猫旗舰店；水性聚氨酯，固含量为(50.0 ±2.0)%，购于佛山翁开尔有限公司；天然乳胶，平均总固性物含量为61.5%，购于深圳吉田化工有限公司；聚四氟乙烯(PTFE)面料，由直径为0.26 mm的聚四氟乙烯长丝织成，组织结构为平纹，经纬向紧度均为50%。

1.2 试验仪器

YG461E型数字式透气测量仪，测量面料透气性；YG141N型数字式织物厚度仪，测量面料厚度；HD026N型多功能电子织物强力仪，测量面料断裂强力和断裂伸长率；ZDS2022Plus示波器和Keithley6514静电计，测量摩擦纳米发电机开路电压和短路电流；电阻箱(0.01～1 000.00 MΩ)；自制的压力装置，给摩擦纳米发电机施加一定的压力；电热鼓风干燥箱；棉型梳理机等。

2 弹性棉纤维面料的制备及测试

(1) 利用棉型梳理机，将购买的棉纤维梳理成网，然后裁剪成8 cm×8 cm的棉网。

(2) 配置5种不同的弹性体溶液(表1)。

表1 弹性体溶液中天然乳胶与水性聚氨酯的配比

(3) 将弹性体溶液均匀地涂覆在棉网上，然后对棉网施加一定的力以挤出多余的弹性体溶液，再将棉网放置在45 ℃的电热鼓风干燥箱中烘燥约40 min，获得弹性棉纤维面料。所得弹性棉纤维面料的物理性能详见表2。

表2 弹性棉纤维面料的物理性能

注：1) 弹性体质量=弹性棉纤维面料质量-棉网质量 2) 为定量描述弹性体在面料上的涂覆量，借用了浆纱中上浆率的概念，将弹性体质量与棉网质量的比值定义为涂覆率

(4) 分别测量弹性棉纤维面料的厚度、透气率、断裂强力和断裂伸长率。

3 摩擦纳米发电机的制备

图1展示了一种摩擦纳米发电机的发电原理：

(1) 在力(F)的作用下，摩擦材料A和摩擦材料B相互接触、摩擦[图1(a)]，两种摩擦材料的内表面带上等量异种电荷。

(2) 当力撤除时，两种摩擦材料分离。电极材料A在摩擦材料A中正电荷的电场作用下，内部正负电荷分布发生变化——负电荷留在电极材料A内部，正电荷随着导线流向电极材料B。同理，电极材料B在摩擦材料B中负电荷的电场作用下，内部存留正电荷，负电荷随着导线流入电极材料A。因此，在摩擦材料彼此分离时，电路中产生了电流(I)，电流方向如图1(b)所示。

(3) 当电极材料A中负电荷产生的电场强度与摩擦材料A中正电荷产生的电场强度相等时，电极材料A便不再有正电荷流出，电极材料B也不会有负电荷流出，即此时电路中不会有电流，如图1(c)所示。

(4) 随着力的重新加载，摩擦材料A和摩擦材料B之间的距离变小，摩擦材料B对电极材料A的电场力作用增强，电极材料A中的负电荷通过导线流向电极材料B。同理，电极材料B中的正电荷通过导线流向电极材料A。这样，导线中就形成了如图1(d)所示流向的电流。

就这样，在力的周期性作用下，电路中周期性地出现了两股方向相反的电流。

图1 一种摩擦纳米发电机的发电原理

本文将上述制得的弹性棉纤维面料作为一种摩擦材料，并利用纳米发电机技术制备摩擦纳米发电机。

3.1 摩擦材料的制备

将弹性棉纤维面料和PTFE面料各自裁剪成8 cm×8 cm的规格(两者各自作为摩擦材料)，然后分别在弹性棉纤维面料和PTFE面料表面贴上同样大小的铜薄片(铜薄片作为电极材料)，最后分别将它们粘贴在黑色硬塑料板上，两者组合便可成为摩擦纳米发电机(图2)。

(a) 摩擦材料由弹性棉纤维面料构成

(b)摩擦材料由PTFE面料构成

图2 摩擦纳米发电机组成实物照片

3.2 电路的组装及测量

使用导线将摩擦纳米发电机和100.00 MΩ电阻箱连接起来，利用ZDS2022Plus示波器测量100.00 MΩ电阻箱两端的电压；将摩擦纳米发电机与1.00 MΩ电阻箱、Keithley6514静电计串联起来，通过读取静电计上的数值获得电流的大小。

4 结果分析与讨论

4.1 涂覆率对弹性棉纤维面料性能的影响

选择由100%的天然乳胶涂覆制得的1#、6#、7#弹性棉纤维面料，用于测试涂覆率对弹性棉纤维面料厚度、透气率、断裂强力和断裂伸长率等性能的影响，结果见图3～图6。

图3 不同涂覆率的弹性棉纤维面料的厚度

图4 不同涂覆率的弹性棉纤维面料的透气率

图5 不同涂覆率的弹性棉纤维面料的断裂强力

图6 不同涂覆率的弹性棉纤维面料的断裂伸长率

从图3和图4可以看出，随着涂覆率的增大，弹性棉纤维面料的厚度增加、透气性下降，原因与弹性体溶液涂覆处理后，棉网中原先疏松的棉纤维因弹性体的连接而变得紧密有关。当涂覆率较低时，棉纤维间还存有大量的空隙，故弹性棉纤维面料的透气性好；当涂覆率由0.90增至1.51时，棉纤维间的空隙被弹性体溶液填充，供气体通过的气道被堵塞，故致使单位时间内单位面积的弹性棉纤维面料的透气量大幅降低；当涂覆率继续增至2.28时，棉纤维间的空隙进一步被填充，弹性棉纤维面料透气率继续下降，但此时降幅已不再明显。

图5和图6反映了涂覆率对弹性棉纤维面料断裂强力和断裂伸长率的影响。当涂覆率由0.90增加到1.51时，弹性棉纤维面料中有更多的棉纤维被黏结起来，且连接更加紧密，故弹性棉纤维面料的断裂强力增加；断裂伸长率方面，尽管有更多的弹性体令棉纤维连接更紧密、移动更困难，并在一定程度上降低了面料的弹性，但是涂覆率的增加也意味着高分子弹性体在棉纤维面料表面形成了更厚的膜，故弹性棉纤维面料的断裂伸长率变大、弹性变好。但随着涂覆率的进一步增加，弹性棉纤维面料的断裂强力增加不再明显，这是因为此时面料内部纤维间的黏结已十分紧密，更多的弹性体溶液无法进一步提高面料的断裂强力；而弹性棉纤维面料的断裂伸长率继续因面料表面形成的膜的厚度增加而增加。

4.2 天然乳胶体积分数对弹性棉纤维面料性能的影响

由上文可知，涂覆率会对弹性棉纤维面料的透气性和力学性能产生影响。故本节为研究弹性体溶液中天然乳胶体积分数对弹性棉纤维面料断裂强力、断裂伸长率及透气率的影响，引入了3个物理量——断裂强力*、断裂伸长率*及透气率*，以避免涂覆率对试验分析的干扰。其中，断裂强力*为断裂强力与涂覆率的比值，断裂伸长率*为断裂伸长率与涂覆率的比值，透气率*为透气率与涂覆率的比值。选择1#～5#弹性棉纤维面料用于研究弹性体溶液中天然乳胶体积分数对弹性棉纤维面料性能的影响(图7～图9)。

图7 不同弹性棉纤维面料的断裂强力*

图8 不同弹性棉纤维面料的断裂伸长率*

图9 不同弹性棉纤维面料的透气率*

图7中，1#弹性棉纤维面料的断裂强力*最大，4#弹性棉纤维面料的断裂强力*最小，可见随着弹性体溶液中天然乳胶体积分数的减小，弹性棉纤维面料的断裂强力*开始呈下降的趋势，其中3#弹性棉纤维面料的断裂强力*相对于1#弹性棉纤维面料下降了16%，下降幅度不是很大；但当天然乳胶的体积分数降为0时，5#弹性棉纤维面料的断裂强力*反而有所增加，高于3#和4#弹性棉纤维面料，与2#弹性棉纤维面料接近，这说明单组分弹性体溶液涂覆处理所得弹性棉纤维面料的断裂强力*更优。

图8中，3#弹性棉纤维面料的断裂伸长率*仅次于完全由水性聚氨酯构成(即天然乳胶体积分数为0)的弹性体溶液处理的5#弹性棉纤维面料的断裂伸长率*，其他弹性棉纤维面料的断裂伸长率*都偏小，这说明天然乳胶和水性聚氨酯体积分数各占50%的弹性体溶液与纯水性聚氨酯弹性体溶液，在弹性棉纤维面料表面形成的膜的弹性都很好。

图9中，弹性棉纤维面料的透气率*从大到小依次为3#、4#、1#、2#、5#，即随着弹性体溶液中天然乳胶体积分数的减小，弹性棉纤维面料的透气率*大致呈先增大后减小的趋势。其中，由水性聚氨酯与天然乳胶体积分数各占50%的弹性体溶液处理的弹性棉纤维面料的透气率*最好，原因除了与弹性体溶液的种类有关外，还与3#弹性棉纤维面料的平均厚度最小有关(图9)。

图10 不同弹性棉纤维面料的平均厚度

4.3 摩擦纳米发电机的效率

测量摩擦纳米发电机的开路电压和短路电流，判断1#～5#弹性棉纤维面料中哪一种更适合用作摩擦纳米发电机的摩擦材料，以研究摩擦纳米发电机的发电效率(图11～图12)

图11 以不同弹性棉纤维面料为摩擦材料的摩擦纳米发电机的开路电压

图12 以不同弹性棉纤维面料为摩擦材料的摩擦纳米发电机的短路电流

从图11可以看出，以1#弹性棉纤维面料为摩擦材料的摩擦纳米发电机的开路电压最小，只有110 V，以5#弹性棉纤维面料为摩擦材料的摩擦纳米发电机的开路电压最大，达到220 V，后者相较于前者增长了1倍；随着弹性体溶液中水性聚氨酯体积分数的增加，以1#～5#弹性棉纤维面料为摩擦材料的摩擦纳米发电机的开路电压依次增大。

从图12可以观察到，随着弹性体溶液中天然乳胶体积分数的降低，分别以1#～5#弹性棉纤维面料为摩擦材料的摩擦纳米发电机的短路电流依次在增加。

5种以弹性棉纤维面料为摩擦材料的摩擦纳米发电机的电流变化趋势和电压变化趋势是一样的。出现这种现象的原因在于水性聚氨酯失去电子的能力大于天然乳胶。随着弹性体溶液中水性聚氨酯体积分数的增加，作为摩擦材料的弹性棉纤维面料的失电子能力增加，最终导致弹性棉纤维面料与PTFE面料在得失电子能力上的差距增加，故摩擦纳米发电机工作时产生的电荷也就越多，开路电压越大。另外，摩擦产生的电荷越多则意味着摩擦材料产生的电场强度越大，电极材料中由于静电感应产生的电荷也就越多，摩擦材料分离时电极材料中就有更多的电荷流向另一电极材料，导致电流增加。

摩擦纳米发电机是在一个周期性变化的力的作用下工作的，其会产生周期性变化的电压和电流。因此，力对摩擦纳米发电机工作时产生的电压和电流有直接影响。图13是在不同大小力的作用下，以5#弹性棉纤维面料为摩擦材料的摩擦纳米发电机的开路电压变化情况。从图13可以看出，随着力的增大，摩擦纳米发电机的开路电压变大，电压增幅依次为46.6%、24.7%和15.1%，其中，当力为90 N时摩擦纳米发电机的开路电压达到最大。究其原因在于，摩擦纳米发电机的原理之一是摩擦起电。两种摩擦材料之间的摩擦力越大，则产生的电荷就越多。故在摩擦系数一定的情况下，力越大，即正压力越大，摩擦力越大，摩擦纳米发电机的开路电压也就越大；另外，力越大，上摩擦材料与下摩擦材料之间的接触就越紧密，有效接触面积越大，开路电压增大。

图13 不同作用力下以5#弹性棉纤维面料为摩擦材料的摩擦纳米发电机的开路电压

5 结论

本文利用水性聚氨酯和天然乳胶组成的弹性体溶液处理棉网，快速得到一种可用来发电的类似于Cosyflex面料的弹性棉纤维面料。通过测试弹性棉纤维面料的性能，并将弹性棉纤维面料作为摩擦纳米发电机的一种摩擦材料进行探究，发现：

(1) 涂覆率对弹性棉纤维面料的透气性、厚度和力学性能等有影响。在一定范围内，涂覆率越大，面料的透气性越差、厚度越厚、力学性能(断裂强力和断裂伸长率)越好。

(2) 弹性体溶液中天然乳胶所占体积分数对弹性棉纤维面料的性能有影响。当弹性体溶液中天然乳胶体积分数为50%时，处理所得弹性棉纤维面料的综合性能最好。

(3) 由弹性棉纤维面料与PTFE面料组合而成的摩擦纳米发电机，能产生电能。其中，以纯水性聚氨酯处理所得弹性棉纤维面料作为一种摩擦材料的摩擦纳米发电机的发电效率最高，其在力为70 N、外接电阻为100.00 MΩ的情况下，可产生220 V的开路电压，在力为70 N、外接电阻为1.00 MΩ的情况下，可产生4.9 μA的短路电流。

(4) 力对由弹性棉纤维面料组合的摩擦纳米发电机的发电效率有影响。在力不超过100 N的情况下，作用力增大，摩擦纳米发电机的的开路电压也随之增大。在90 N力的作用下，摩擦纳米发电机的开路电压可达到最大值243 V。

参考文献

[1] 周莉， 莘月，张龙琳. 基于3D打印技术的服装设计探析[J].装饰， 2014(5):88-89.

[2] Cosyflex introduces a new era in fabrics and a whole new world of opportunities for product developers[EB/OL].[2017-11-15].http://www.tamicare.com/cosyflex.

[3] SEUNG W， GUPTA M K， LEE K Y， et al. Nanopatterned textile-based wearable triboelectric nanogenerator[J]. Acs Nano， 2015， 9(4):3501-3509.