北卡州立大学印荣教授团队 Nano Energy：高柔性、耐用、可水洗的摩擦电纱线及刺绣用于自供电传感器和人机交互

2022-11-12 来源：高分子科技

纺织品和摩擦纳米发电机 (TENG) 的结合成功地实现了自供电可穿戴电子设备和传感器。然而，由于制造工艺复杂、生产速度慢、成本高、机电性能差以及设计能力有限，制造基于纺织品的 TENGs 仍然是一个巨大的挑战。

近期，北卡州立大学Wilson纺织学院印荣教授团队提出了一种简单，低成本和可量产的刺绣技术开发基于纺织品的 TENG 的新途径。纱线方面使用了 5 根漆包铜线（50 μm）加捻合股。漆包铜线是一种低成本的商业材料。它是一根细铜线外面涂覆了一层聚氨酯材料，同时也是良好的摩擦电材料（图1）。5根漆包铜线合股之后大大增加了纱线的强力，同时纱线依旧非常柔软，可以直接用于刺绣（图2）。此外，漆包铜线经过等离子体处理后的摩擦电性能比未经等离子体处理的更好，例如最大瞬时功率密度可以达到 245 μW/m，约为 1.5 倍未经处理的纱线（图3）。这些新颖的刺绣TENG具有出色的摩擦电性能和超强的可设计性。一个 5 x 5 cm² 的刺绣样品在类似的接触条件下可以产生 300 V 的开路电压和 8 μA 的短路电流（图4）。可穿戴摩擦电刺绣可应用于穿戴的不同身体部位（图5）。基于摩擦电刺绣设计的自供电、全织物数字键盘用作人机界面，具有良好的能量收集和信号收集能力（图6）。因此，本研究为适用于下一代智能可穿戴设备的基于纺织品的 TENG 开辟了一种新的通用设计范式。

图1 单根漆包铜线的摩擦电性能

图2 五根合股后纱线的摩擦电性能

图3 等离子体处理后的摩擦电纱线性能表征

图4 摩擦电刺绣品的性能测试

图5 可穿戴摩擦电刺绣用于不同身体部位

图6 基于摩擦电刺绣设计的自供电、全织物数字键盘

这项研究工作打破了纺织基可穿戴设备的复杂制备工艺，使用了刺绣方法将摩擦电纱线结合到纺织产品上，系统研究了纱线及刺绣的摩擦电性能及力学性能，并展示了其在可穿戴上的应用。该工作以“Flexible, durable, and washable triboelectric yarn and embroidery for self-powered sensing and human-machine interaction”为题发表在《Nano Energy》上（Volume 104, Part A, 15 December 2022, 107929）。文章第一作者是北卡州立大学博士生陈裕。该研究得到北卡州立大学的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107929

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（责任编辑：xu）

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