【摘 要】
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随着5G技术的商业应用的增加,电子设备也会激增,因此对供能设备的需求也增大。同时电子设备是可穿戴、可植入的发展趋势,传统电池因为其体积大、基底硬、续航时间短、需频繁充电、污染环境等问题都与未来趋势背道而驰,因此供能设备需要不断的改善。为了解决电子设备的供能问题,解决策略是将人们触手可得的能量收集起来供给电子设备。人体的机械能取之不尽用之不竭,同时还不受天气、地点等因素的影响,并且与可穿戴设备的工作
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随着5G技术的商业应用的增加,电子设备也会激增,因此对供能设备的需求也增大。同时电子设备是可穿戴、可植入的发展趋势,传统电池因为其体积大、基底硬、续航时间短、需频繁充电、污染环境等问题都与未来趋势背道而驰,因此供能设备需要不断的改善。为了解决电子设备的供能问题,解决策略是将人们触手可得的能量收集起来供给电子设备。人体的机械能取之不尽用之不竭,同时还不受天气、地点等因素的影响,并且与可穿戴设备的工作环境保持一致性。相比于其他的能量收集器而言,摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator,TENG）拥有输出大、效率高、稳定性好等特点。人体机械能在收集的过程中需要考虑人体运动时的拉伸、扭曲、弯折等多种变形形态,采用传统摩擦纳米发电机来收集能量,在寿命、稳定性、舒适性等方面都会有很大的局限性。因此,柔性摩擦纳米发电机是作为人体能量收集器的理想器件。织物作为衣服的原材料,具有优异的柔韧性,可以承受多种复杂的机械变形,如拉伸、扭曲、弯曲和撕裂。这些变形在穿着和洗涤过程中表现出优异的结构保持能力和抗疲劳能力,同时高孔隙率和较大的比表面积使其具有良好的透气性和保暖性。因此使用织物作为摩擦纳米发电机的基底材料可以满足柔韧性好、人体友好型、环境友好型等特点。目前柔性摩擦纳米发电机都采用铝（Al）,银（Ag）等金属作为导电材料,这些金属会存在化学性质活泼、易被氧化、成本高等缺点。聚苯胺（Polyaniline,PANi）具有类金属性质的同时又兼具高分子材料的柔韧性和可加工性能,同时原料易于获得,因此它是一种非常有潜力的导电材料。在本研究论文中提出了基于聚苯胺导电棉布的柔性摩擦纳米发电机,研究了该种摩擦纳米发电机的构建及性能研究。主要研究结果如下:（1）采用三步接枝法成功制备了耐水洗、导电性可控、高稳定性的柔性导电棉布。依次通过第一步辐射接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯（Glycidyl methacrylate,GMA）,第二步通过利用聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（Glycidyl polymethacrylate,PGMA）与对氨基苯乙胺（2-（4-Aminophenyl）ethylamine,APA）之间的胺基-环氧开环反应,第三步聚苯胺原位氧化还原反应。经过以上三步制备了基于聚苯胺的导电棉布,该棉布可以通过多次原位氧化还原接枝来实现导电性可控。经水洗测试,水洗前后导电棉布外观及导电性无明显变化,聚苯胺导电棉布耐水洗;同时在经1000次的弯曲、折叠、挤压、卷曲的形变后,棉布的电阻变化率较小,同时保持原有的柔性,证明三步法接枝聚苯胺导电棉布的可行性及可靠性。（2）制作了基于聚苯胺导电棉布的双电极摩擦纳米发电机,该类型为垂直接触-分离型TENG。利用PANi导电棉布作为TENG的上下电极层分别结合致密聚四氟乙烯薄膜（Polytetrafluoroethylene,PTFE）和孔径为0.22?m的多孔聚偏氟乙烯（Poly（vinylidene fluoride）,PVDF）摩擦层。PANi-PTFE-TENG最大输出电压和输出电流可达340V和100?A,可以在40s内为10?F的电容充电至3.78V,PANiPVDF-TENG最大输出电压和输出电流可达360V和60?A,可以在40s内为10?F的电容充电至2.24V,该类型器件输出性能优异。本工作为大面积制备高性能柔性摩擦纳米发电机提供了新思路,具有作为床单来检测人体睡眠质量潜在应用。（3）制作了基于聚苯胺导电棉布的单电极柔性摩擦纳米发电机。利用聚苯胺导电棉布作为电极层分别结合致密PTFE和多孔PVDF摩擦层,分别与丁腈手套和手接触分离。PTFE-Gloves-TENG最大输出电压和输出电流可达310V和40?A,40s可为10?F的电容充电至2.6V,PVDF-Gloves-TENG最大输出电压和输出电流可达300V和40?A,40s可为10?F的电容充电至2.0V;PTFE-Hand-TENG最大输出电压和最大输出电流可达240V和18?A,PVDF-Hand-TENG最大输出电压和输出电流可达400V和23?A。在单电极模式下,器件可点亮260个LED小灯泡,输出性能优异。本工作可以作为可穿戴衣物来收集人体机械运动产生的能量从而驱动个人电子设备。
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