增材制造彈性棉纖維面料的制備與應用

靜怡

東華大學紡織學院， 上海 201620

傳統紡織服裝的生產是一個工序繁瑣、耗能高、耗時多的過程。當前，人們正在嘗試使用以3D打印技術為代表的增材制造技術，推動服裝行業的創新變革，以減少生產工序、節能降耗。2011年，荷蘭服裝設計師Iris Van Herpen在巴黎時裝周上展示的利用3D打印技術制作的3D打印服裝，讓世人為之驚艷[1]。這種服裝具有極強的立體感，富有觀賞價值，但由于其原料是熱固性材料，因此服裝的服用性大打折扣，不適合人們的日常穿著。但研究者并沒有因此而放棄對快速生產紡織面料和服裝的探索。Tamicare公司經過數年研究，成功開發出一種新型3D打印面料——Cosyflex面料，由該面料制作的服裝與Iris Van Herpen制作的服裝相比，前者的柔軟性要好很多，同時還具備良好的力學性能與手感，以及較好的服用性能[2]。

如今，科技正改變著人們的生活，它使人們的生活變得更加智能化。對于服裝，人們同樣也渴望智能化。所謂智能服裝就是在服裝中添加各種感應設備，利用這些感應設備對人體健康狀態和周圍環境的變化進行實時監測，以做出積極的反應。要想實現服裝智能化，為各種感應設備提供電力是關鍵。電力的供應無非有兩條途徑，一條為外界供電，另一條為自身供電。外界供電是指利用電池(一般為紐扣電池)為感應設備供電；自身供電是指由服裝本身提供電能，具體來說是服裝將其他形式的能量轉化為電能。外界供電可以提供穩定持續的電流，但其體積和質量會導致使用并不方便，因此，自身供電技術成為了目前研究的重點。文獻[3]提到，王中林教授開發的納米發電技術就是一種潛在的服裝自身供能技術。若將該研究成果應用于服裝上，可將人體活動產生的機械能轉化為電能，從而實現為服裝發電、為感應設備供電的夢想。

本文旨在嘗試開發一種可快速成型的、類似于Cosyflex的面料，實現纖維到面料的一步式跨越，同時實現面料能夠發電的需求。試驗采用棉纖維及摩擦時失電子能力較強的水性聚氨酯和天然乳膠作為原料，通過涂覆、擠壓、烘燥等工序，嘗試開發一種具有一定服用性能和發電能力的彈性棉纖維面料。

1 試驗器材

1.1 試驗材料

棉纖維，購于好睡眠天貓旗艦店；水性聚氨酯，固含量為(50.0 ±2.0)%，購于佛山翁開爾有限公司；天然乳膠，平均總固性物含量為61.5%，購于深圳吉田化工有限公司；聚四氟乙烯(PTFE)面料，由直徑為0.26 mm的聚四氟乙烯長絲織成，組織結構為平紋，經緯向緊度均為50%。

1.2 試驗儀器

YG461E型數字式透氣測量儀，測量面料透氣性；YG141N型數字式織物厚度儀，測量面料厚度；HD026N型多功能電子織物強力儀，測量面料斷裂強力和斷裂伸長率；ZDS2022Plus示波器和Keithley6514靜電計，測量摩擦納米發電機開路電壓和短路電流；電阻箱(0.01～1 000.00 MΩ)；自制的壓力裝置，給摩擦納米發電機施加一定的壓力；電熱鼓風干燥箱；棉型梳理機等。

2 彈性棉纖維面料的制備及測試

(1) 利用棉型梳理機，將購買的棉纖維梳理成網，然后裁剪成8 cm×8 cm的棉網。

(2) 配置5種不同的彈性體溶液(表1)。

表1 彈性體溶液中天然乳膠與水性聚氨酯的配比

(3) 將彈性體溶液均勻地涂覆在棉網上，然后對棉網施加一定的力以擠出多余的彈性體溶液，再將棉網放置在45 ℃的電熱鼓風干燥箱中烘燥約40 min，獲得彈性棉纖維面料。所得彈性棉纖維面料的物理性能詳見表2。

表2 彈性棉纖維面料的物理性能

注：1) 彈性體質量=彈性棉纖維面料質量-棉網質量 2) 為定量描述彈性體在面料上的涂覆量，借用了漿紗中上漿率的概念，將彈性體質量與棉網質量的比值定義為涂覆率

(4) 分別測量彈性棉纖維面料的厚度、透氣率、斷裂強力和斷裂伸長率。

3 摩擦納米發電機的制備

圖1展示了一種摩擦納米發電機的發電原理：

(1) 在力(F)的作用下，摩擦材料A和摩擦材料B相互接觸、摩擦[圖1(a)]，兩種摩擦材料的內表面帶上等量異種電荷。

(2) 當力撤除時，兩種摩擦材料分離。電極材料A在摩擦材料A中正電荷的電場作用下，內部正負電荷分布發生變化——負電荷留在電極材料A內部，正電荷隨著導線流向電極材料B。同理，電極材料B在摩擦材料B中負電荷的電場作用下，內部存留正電荷，負電荷隨著導線流入電極材料A。因此，在摩擦材料彼此分離時，電路中產生了電流(I)，電流方向如圖1(b)所示。

(3) 當電極材料A中負電荷產生的電場強度與摩擦材料A中正電荷產生的電場強度相等時，電極材料A便不再有正電荷流出，電極材料B也不會有負電荷流出，即此時電路中不會有電流，如圖1(c)所示。

(4) 隨著力的重新加載，摩擦材料A和摩擦材料B之間的距離變小，摩擦材料B對電極材料A的電場力作用增強，電極材料A中的負電荷通過導線流向電極材料B。同理，電極材料B中的正電荷通過導線流向電極材料A。這樣，導線中就形成了如圖1(d)所示流向的電流。

就這樣，在力的周期性作用下，電路中周期性地出現了兩股方向相反的電流。

圖1 一種摩擦納米發電機的發電原理

本文將上述制得的彈性棉纖維面料作為一種摩擦材料，并利用納米發電機技術制備摩擦納米發電機。

3.1 摩擦材料的制備

將彈性棉纖維面料和PTFE面料各自裁剪成8 cm×8 cm的規格(兩者各自作為摩擦材料)，然后分別在彈性棉纖維面料和PTFE面料表面貼上同樣大小的銅薄片(銅薄片作為電極材料)，最后分別將它們粘貼在黑色硬塑料板上，兩者組合便可成為摩擦納米發電機(圖2)。

(a) 摩擦材料由彈性棉纖維面料構成

(b)摩擦材料由PTFE面料構成

圖2 摩擦納米發電機組成實物照片

3.2 電路的組裝及測量

使用導線將摩擦納米發電機和100.00 MΩ電阻箱連接起來，利用ZDS2022Plus示波器測量100.00 MΩ電阻箱兩端的電壓；將摩擦納米發電機與1.00 MΩ電阻箱、Keithley6514靜電計串聯起來，通過讀取靜電計上的數值獲得電流的大小。

4 結果分析與討論

4.1 涂覆率對彈性棉纖維面料性能的影響

選擇由100%的天然乳膠涂覆制得的1#、6#、7#彈性棉纖維面料，用于測試涂覆率對彈性棉纖維面料厚度、透氣率、斷裂強力和斷裂伸長率等性能的影響，結果見圖3～圖6。

圖3 不同涂覆率的彈性棉纖維面料的厚度

圖4 不同涂覆率的彈性棉纖維面料的透氣率

圖5 不同涂覆率的彈性棉纖維面料的斷裂強力

圖6 不同涂覆率的彈性棉纖維面料的斷裂伸長率

從圖3和圖4可以看出，隨著涂覆率的增大，彈性棉纖維面料的厚度增加、透氣性下降，原因與彈性體溶液涂覆處理后，棉網中原先疏松的棉纖維因彈性體的連接而變得緊密有關。當涂覆率較低時，棉纖維間還存有大量的空隙，故彈性棉纖維面料的透氣性好；當涂覆率由0.90增至1.51時，棉纖維間的空隙被彈性體溶液填充，供氣體通過的氣道被堵塞，故致使單位時間內單位面積的彈性棉纖維面料的透氣量大幅降低；當涂覆率繼續增至2.28時，棉纖維間的空隙進一步被填充，彈性棉纖維面料透氣率繼續下降，但此時降幅已不再明顯。

圖5和圖6反映了涂覆率對彈性棉纖維面料斷裂強力和斷裂伸長率的影響。當涂覆率由0.90增加到1.51時，彈性棉纖維面料中有更多的棉纖維被黏結起來，且連接更加緊密，故彈性棉纖維面料的斷裂強力增加；斷裂伸長率方面，盡管有更多的彈性體令棉纖維連接更緊密、移動更困難，并在一定程度上降低了面料的彈性，但是涂覆率的增加也意味著高分子彈性體在棉纖維面料表面形成了更厚的膜，故彈性棉纖維面料的斷裂伸長率變大、彈性變好。但隨著涂覆率的進一步增加，彈性棉纖維面料的斷裂強力增加不再明顯，這是因為此時面料內部纖維間的黏結已十分緊密，更多的彈性體溶液無法進一步提高面料的斷裂強力；而彈性棉纖維面料的斷裂伸長率繼續因面料表面形成的膜的厚度增加而增加。

4.2 天然乳膠體積分數對彈性棉纖維面料性能的影響

由上文可知，涂覆率會對彈性棉纖維面料的透氣性和力學性能產生影響。故本節為研究彈性體溶液中天然乳膠體積分數對彈性棉纖維面料斷裂強力、斷裂伸長率及透氣率的影響，引入了3個物理量——斷裂強力*、斷裂伸長率*及透氣率*，以避免涂覆率對試驗分析的干擾。其中，斷裂強力*為斷裂強力與涂覆率的比值，斷裂伸長率*為斷裂伸長率與涂覆率的比值，透氣率*為透氣率與涂覆率的比值。選擇1#～5#彈性棉纖維面料用于研究彈性體溶液中天然乳膠體積分數對彈性棉纖維面料性能的影響(圖7～圖9)。

圖7 不同彈性棉纖維面料的斷裂強力*

圖8 不同彈性棉纖維面料的斷裂伸長率*

圖9 不同彈性棉纖維面料的透氣率*

圖7中，1#彈性棉纖維面料的斷裂強力*最大，4#彈性棉纖維面料的斷裂強力*最小，可見隨著彈性體溶液中天然乳膠體積分數的減小，彈性棉纖維面料的斷裂強力*開始呈下降的趨勢，其中3#彈性棉纖維面料的斷裂強力*相對于1#彈性棉纖維面料下降了16%，下降幅度不是很大；但當天然乳膠的體積分數降為0時，5#彈性棉纖維面料的斷裂強力*反而有所增加，高于3#和4#彈性棉纖維面料，與2#彈性棉纖維面料接近，這說明單組分彈性體溶液涂覆處理所得彈性棉纖維面料的斷裂強力*更優。

圖8中，3#彈性棉纖維面料的斷裂伸長率*僅次于完全由水性聚氨酯構成(即天然乳膠體積分數為0)的彈性體溶液處理的5#彈性棉纖維面料的斷裂伸長率*，其他彈性棉纖維面料的斷裂伸長率*都偏小，這說明天然乳膠和水性聚氨酯體積分數各占50%的彈性體溶液與純水性聚氨酯彈性體溶液，在彈性棉纖維面料表面形成的膜的彈性都很好。

圖9中，彈性棉纖維面料的透氣率*從大到小依次為3#、4#、1#、2#、5#，即隨著彈性體溶液中天然乳膠體積分數的減小，彈性棉纖維面料的透氣率*大致呈先增大后減小的趨勢。其中，由水性聚氨酯與天然乳膠體積分數各占50%的彈性體溶液處理的彈性棉纖維面料的透氣率*最好，原因除了與彈性體溶液的種類有關外，還與3#彈性棉纖維面料的平均厚度最小有關(圖9)。

圖10 不同彈性棉纖維面料的平均厚度

4.3 摩擦納米發電機的效率

測量摩擦納米發電機的開路電壓和短路電流，判斷1#～5#彈性棉纖維面料中哪一種更適合用作摩擦納米發電機的摩擦材料，以研究摩擦納米發電機的發電效率(圖11～圖12)

圖11 以不同彈性棉纖維面料為摩擦材料的摩擦納米發電機的開路電壓

圖12 以不同彈性棉纖維面料為摩擦材料的摩擦納米發電機的短路電流

從圖11可以看出，以1#彈性棉纖維面料為摩擦材料的摩擦納米發電機的開路電壓最小，只有110 V，以5#彈性棉纖維面料為摩擦材料的摩擦納米發電機的開路電壓最大，達到220 V，后者相較于前者增長了1倍；隨著彈性體溶液中水性聚氨酯體積分數的增加，以1#～5#彈性棉纖維面料為摩擦材料的摩擦納米發電機的開路電壓依次增大。

從圖12可以觀察到，隨著彈性體溶液中天然乳膠體積分數的降低，分別以1#～5#彈性棉纖維面料為摩擦材料的摩擦納米發電機的短路電流依次在增加。

5種以彈性棉纖維面料為摩擦材料的摩擦納米發電機的電流變化趨勢和電壓變化趨勢是一樣的。出現這種現象的原因在于水性聚氨酯失去電子的能力大于天然乳膠。隨著彈性體溶液中水性聚氨酯體積分數的增加，作為摩擦材料的彈性棉纖維面料的失電子能力增加，最終導致彈性棉纖維面料與PTFE面料在得失電子能力上的差距增加，故摩擦納米發電機工作時產生的電荷也就越多，開路電壓越大。另外，摩擦產生的電荷越多則意味著摩擦材料產生的電場強度越大，電極材料中由于靜電感應產生的電荷也就越多，摩擦材料分離時電極材料中就有更多的電荷流向另一電極材料，導致電流增加。

摩擦納米發電機是在一個周期性變化的力的作用下工作的，其會產生周期性變化的電壓和電流。因此，力對摩擦納米發電機工作時產生的電壓和電流有直接影響。圖13是在不同大小力的作用下，以5#彈性棉纖維面料為摩擦材料的摩擦納米發電機的開路電壓變化情況。從圖13可以看出，隨著力的增大，摩擦納米發電機的開路電壓變大，電壓增幅依次為46.6%、24.7%和15.1%，其中，當力為90 N時摩擦納米發電機的開路電壓達到最大。究其原因在于，摩擦納米發電機的原理之一是摩擦起電。兩種摩擦材料之間的摩擦力越大，則產生的電荷就越多。故在摩擦系數一定的情況下，力越大，即正壓力越大，摩擦力越大，摩擦納米發電機的開路電壓也就越大；另外，力越大，上摩擦材料與下摩擦材料之間的接觸就越緊密，有效接觸面積越大，開路電壓增大。

圖13 不同作用力下以5#彈性棉纖維面料為摩擦材料的摩擦納米發電機的開路電壓

5 結論

本文利用水性聚氨酯和天然乳膠組成的彈性體溶液處理棉網，快速得到一種可用來發電的類似于Cosyflex面料的彈性棉纖維面料。通過測試彈性棉纖維面料的性能，并將彈性棉纖維面料作為摩擦納米發電機的一種摩擦材料進行探究，發現：

(1) 涂覆率對彈性棉纖維面料的透氣性、厚度和力學性能等有影響。在一定范圍內，涂覆率越大，面料的透氣性越差、厚度越厚、力學性能(斷裂強力和斷裂伸長率)越好。

(2) 彈性體溶液中天然乳膠所占體積分數對彈性棉纖維面料的性能有影響。當彈性體溶液中天然乳膠體積分數為50%時，處理所得彈性棉纖維面料的綜合性能最好。

(3) 由彈性棉纖維面料與PTFE面料組合而成的摩擦納米發電機，能產生電能。其中，以純水性聚氨酯處理所得彈性棉纖維面料作為一種摩擦材料的摩擦納米發電機的發電效率最高，其在力為70 N、外接電阻為100.00 MΩ的情況下，可產生220 V的開路電壓，在力為70 N、外接電阻為1.00 MΩ的情況下，可產生4.9 μA的短路電流。

(4) 力對由彈性棉纖維面料組合的摩擦納米發電機的發電效率有影響。在力不超過100 N的情況下，作用力增大，摩擦納米發電機的的開路電壓也隨之增大。在90 N力的作用下，摩擦納米發電機的開路電壓可達到最大值243 V。

參考文獻

[1] 周莉， 莘月，張龍琳. 基于3D打印技術的服裝設計探析[J].裝飾， 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.