鄧李宇 黃一辰 崔秀舉 廉啟茹 吳漢光 王銳

摘要：創新性地設計制備了具有良好阻燃功能的摩擦納米發電織物。采用自主研發的阻燃聚酯（FR- PET）纖維和聚四氟乙烯（PTFE）長絲，交替編織包覆在導電鍍銀尼龍長絲外側，得到具有皮芯結構（FR- PET&PTFE摩擦起電外層與導電內芯）的復合紗線，從而成功開發出一種具有阻燃功能的導電復合紗線，并進一步通過機織方法制備得到具有優異綜合性能的阻燃摩擦納米發電織物（FR-PET&PTFE TTENG）。FR- PET&PTFE TTENG兼具高電輸出性能（開路電壓26.84 V，短路電流0.32μA，短路電荷8.95 nC）與優異的阻燃抑煙性能（極限氧指數為37％，不熔滴，煙釋放速率峰值僅2.42（m2/s）/m2，自熄滅后仍保持良好的電輸出性能），因此在自供電智能防護服與防火感應領域具有突出的應用潛能。

關鍵詞：摩擦納米發電織物；智能紡織品；阻燃；自供電

中圖分類號：TS106?? 文獻標志碼：A??? 文章編號：2097-2911-（2023）01-0034-17

Preparation and Property Optimization of Triboelectric Fabric Based on Flame Retardant Polyester Fiber and PTFE Filaments

DENG Liyu ， HUANG Yichen ， CUI Xiuju ， LIAN Qiru ， WUHanguang ， WANG Rui *

（Beijing Key Laboratory of Clothing Materials R & D and Assessment，Beijing Institute of Fashion Technology， Beijing 100029 ， China）

Abstract： A flame-retardant conductive composite fabric through braiding flame-retardant polyester （FR-PET） fibers and polytetrafluoroethylene （PTFE） fibers outside the silver-plated nylon fiber， and then braid the conduc- tive composite fabric into a triboelectric nanogenerator textile （FR-PET & PTFE TTENG）. FR-PET & PTFE TTENG exhibits high electrical output performance （open-circuit voltage of 26.84 V， short-circuit current of 0.32μA， and short-circuit charge of 8.95 nC）. In addition， FR-PET & PTFE TTENG show high flame-retardant properties. The limiting oxygen indexof FR-PET & PTFE TTENG is as high as 37%， no dripping happens， and the peak smoke release rate is released to 2.42（m2/s）/m2. Therefore， use FR-PET & PTFE TTENG are innova- tively prepared as a self-powered sensing textile， which demonstrates great application potential in smart protec- tive clothing and fire alarming fields.

Key words： triboelectric nanogenerator; smart textile; flame-retardant; self-powered

1前言

隨著物聯網、人工智能、可穿戴式電子器件等技術的廣泛應用，新能源已成為人類生活不可或缺的一部分，但其數量龐大、分布廣泛，難以與傳統能源協同工作。與此同時，傳統電池、電容器等電源存在著結構剛性、重量大、體積大、容量和壽命有限、缺乏靈活性等缺點，越來越難以滿足可穿戴電子產品對能量的需求[1-4]。所以，為保證小型電子器件能連續、及時地工作，就必須有新的能源供應。為解決這一問題，目前研究人員已經開發出以壓電[5]、摩擦電[6-7]、光伏[8]或熱電效應[9]為基礎、從環境或人體運動中收集可再生且可持續的能源技術。利用摩擦起電（接觸起電）效應，王中林教授提出了摩擦納米發電機（TENG）的理念[10]。 TENG 可在外界壓力作用下產生電信號，從而實現多種機械能向電能的高效轉換。通過將 TENG 與輕質柔軟、透氣舒適的紡織品相結合，可制備用于人體能量收集和自供電傳感的智能紡織品（TTENG）[11-12]。并且，紡織品表面具有天然的粗糙度和高密度的化學多樣性官能團，有益于其在構筑 TTENG 摩擦外層過程中表面電荷密度的提高[13]。

迄今為止，對于 TTENG的研發已經取得了較大進展[1， 11， 14-15]。然而，由于紡織材料的易燃性，大多數 TTENG 不具備阻燃性能，容易在火災中受到破壞，喪失供電能力，甚至進一步誘發火災蔓延，造成人員傷害。因此，設計、開發具有高阻燃性的 TTENG（FR-TTENG）至關重要。目前，研究人員多通過層層包覆法（浸漬，噴涂，層層自組裝等）制備FR-TTENG，取得了階段性研究進展[16-21]。有研究者選用本征阻燃纖維構筑阻燃摩擦產電外層，實現高性能 FR-TTENG 的制備[22-25]，本課題組前期也成功構建了基于阻燃聚酯纖維（FR- PET）外摩擦層的 FR- TTENG（FR-PET TTENG）[26]。

為進一步提高FR-PET TTENG抑煙性和抗熔滴性能，本研究優化設計聚四氟乙烯（PTFE）長絲和FR-PET纖維交替編織在鍍銀尼龍長絲外側形成外摩擦層，構筑具有FR-PET&PTFE復合摩擦外層的FR-TTENG（FR-PET&PTFE TTENG），顯著提升了所得FR-TTENG的抑煙性與抗熔滴性，并進一步優化了其電性能與阻燃性。探究了所得PTFE&FR-PET TTENG電性能及阻燃性能的優化機理，并將其應用于自供電智能防護服與防火感應領域。

2 實驗部分

2.1 實驗材料與儀器

材料：FR-PET 長絲，150D，實驗自主研發； PTFE長絲，500D，浙江理工大學提供；鍍銀尼龍長絲，20 D，購自中國青島致遠翔宇功能面料有限公司。

設備：AW90迷你繞線機（江蘇響道精密機械有限公司）；XD95-8D-4T高速編織機（江蘇響道精密機械有限公司）；SGA 598半自動織布機（江陰通元紡織機械有限公司）；Dino 3001便攜式數碼顯微鏡（上海迪諾利泰儀器設備有限公司）；Keithley 6514可編程靜電計（東方中科集成科技有限公司）；Instron1346電子萬能材料強力測試儀（英國英斯特朗公司）；JEOL JSM-6360LV 鎢燈絲掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）； CZF-3水平垂直燃燒試驗機（南寧市江寧區分析儀器廠）；YG461E數字式織物透氣量儀（溫州方圓儀器有限公司）；YG601H 計算機式織物透濕儀（寧波紡織儀器廠）；Dynisco COI氧指數儀（美國丹尼斯克科技有限公司）；FTTL 標準型錐形量熱測試儀（英國 FTT 公司）。

2.2 FR-PET&PTFE TTENG 的制備

在課題組前期的研究中，將反應型阻燃劑2-羧乙基苯基次磷酸（CEPPA）通過共聚反應引入 PET分子鏈中，然后采用熔融紡絲工藝，制備得到具有永久阻燃特性的PET纖維，并成功實現了其大規模工業化[27-28]。本研究選用該FR-PET纖維作為FR-PET FTENG的外摩擦層材料之一。

如圖1（a）所示，使用XD05-8D-4T高速編織機，連續制備具有皮芯結構的 FR-PET&PTFE FTENG 。首先將20D的鍍銀尼龍長絲纏繞在高速編織機中間的特殊線軸上，從軌道盤下方沿軸向喂入，并為其提供一定程度的張力。之后將外層的FR-PET纖維和PTFE長絲與中心的鍍銀尼龍纖維一起通過編織孔，并固定在提取機的紗線筒上。開啟機器，調節編織速度，隨著跑道的轉動，外層FR-PET纖維沿順時針旋轉，PTFE長絲沿逆時針旋轉，根根交替排列，在鍍銀尼龍長絲外側形成致密的編織結構，從而將鍍銀尼龍長絲緊密包裹起來，如圖1（b）所示，從而實現 FR- PET&PTFE FTENG的連續化制備。

編織機構旋轉時，卷繞輥由4個相互連接的齒輪實現驅動。可通過改變R，來調節收紗速度和編織轉速之間的比率。齒輪傳動比和產量的計算公式如下：

其中 AT和CT分別是兩個主動齒輪的齒數， BT和DT分別是兩個從動齒輪的齒數，α是常數5.76，P是紗線產率（m/h），v是編織機構的旋轉速度（rpm）。通常情況下，R越小，提取速度和編織速度之間的比率越低，單位時間內可以在同樣長度的鍍銀尼龍長絲上包覆更多的FR-PET纖維和 PTFE 長絲，最后得到的 FR-PET&PTFE FTENG 結構更緊密。本實驗設置了5個R值，如表1所示，以探索編織FR-PET&PTFE FTENG的最佳齒輪比。

采用 SGA 598半自動織布機（江陰通元紡織機械有限公司），將所得 FR-PET&PTFE FTENG 交織成阻燃智能面料（FR-PET&PTFE TTENG）。2.3 測試與表征

2.3.1 FR-PET&PTFE FTENG的形貌表征

使用 Dino-lite 便攜式數碼顯微鏡及掃描電子顯微鏡（SEM）對 FR-PET&PTFE FTENG 的結構進行觀察。SEM觀察之前，先在8 kV 的加速電壓下采用日本HitachiS450型濺射儀對樣品進行噴金。

2.3.2 機械性能測試

通過電子萬能材料強力測試儀表征 FR- PET&PTFE FTENG 的機械性能。夾具間隔固定為20 mm，將樣品置于上、下夾具的中間，預張力設置為0.5 N，拉伸速度設置為20 mm/min，最后得到彈性模量、最大斷裂強度、斷裂伸長率、應力應變等參數。每個樣品測試5次，取平均值。

2.3.3 電性能測試

將30 mm × 30 mm 的 FR- PET&PTFE TTENG樣品固定在測試平臺上，利用線性馬達實現對其的周期性壓力（60 N，頻率2 Hz），通過 Keithley靜電計對其開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、短路電荷（Qsc）進行實時數據采集，如圖2所示。將FR-PET&PTFE TTENG與不同的負載電阻（1 kΩ-1 GΩ）相連接，在2 Hz的60 N外力作用下，表征連接不同外接電阻時其的Isc，并計算出輸出功率密度。通過記錄FR-PET&PTFE TTENG樣品3600次拍打前后的開路電壓變化，表征其工作穩定性。FR-PET&PTFE TTENG 的耐水洗性測試可根據先前報道的主流模擬洗滌方法進行[29-30]。

在500ml燒杯中放入適量水和洗衣粉，置于磁力攪拌器上，通過加入磁子模仿洗衣機的滾筒旋轉來模擬家用洗滌環境，將 FR- PET & PTFE TTENG樣品放入洗滌溶液中，在600 rpm的攪拌速度下持續洗滌20分鐘，之后放入60℃的烘箱中干燥30分鐘，再進行電輸出性能測試。

2.3.4 透氣透濕性測試

根據 GB/T 5453-1997，采用YG461E型透氣性測試儀測試 FR-PET&PTFE TTENG 的透氣性，壓差設置為100 Pa，測試面積為20 cm2。

根據GB/T 12704.1-2009，采用YG601H型透濕性測試儀測試FR-PET&PTFE TTENG的水蒸氣透過率，溫度和濕度分別設置為38℃和90%RH。

2.3.5 阻燃性能測試

垂直燃燒性能根據 GB/T 5455-2014，采用 GZF-3型水平垂直燃燒測試儀進行，尺寸為290 mm ×90 mm 的樣品在（20±2）℃ ， （65±4）% RH 下處理24小時，測試時點火時間為12s。

極限氧指數試驗根據 GB/T 5455-1997，采用Dynisco型氧指數儀進行，尺寸為150 mm ×58 mm 的樣品先在（20±2）℃ ， （65±4）% RH 下處理16 h，進行測試，最后得到 LOI、燃燒特征等信息。

錐形量熱法試驗根據ISO 5660-1-2015，采用 FTTL 標準錐形量熱測試儀進行，在35 kW · m?2 的外部熱通量下進行，試驗試樣尺寸為100 mm ×100 mm ×1.14 mm，通過 CONE 測定分析軟件分析得到的引燃時間（TTI）、熱釋放速率（HRR）、總燃燒釋放熱（THR）、煙釋放速率（RSR）、總煙霧產生量（TSP）等參數。

使用丙烷火焰對30 mm ×30 mm 的 FR- PET&PTFE TTENG 進行點火，時間為2 s，再將自熄滅后的織物進行電輸出性能的測試。

3 結果與討論

3.1 FR-PET&PTFE FTENG 的制備與表征

作為阻燃織物的基礎組分，阻燃紗線對阻燃織物的綜合性能起到關鍵影響。本研究通過高速編織機，選用高電導率（24Ω· cm?1）且輕柔的商用鍍銀尼龍長絲作為芯電極，選用具有本征阻燃性的 FR-PET 纖維及 PTFE 長絲構筑外摩擦層，制備出具有皮芯結構的阻燃摩擦納米發電復合紗線（FR-PET&PTFE FTENG）。致密的阻燃外摩擦層既能夠有效防止摩擦電荷的滲漏，又能夠抑制燃燒時熱量與火焰的蔓延。因此，外摩擦層包覆越致密，越有益于提升 FR- PET&PTFE FTENG 的電性能及阻燃性能。編織工藝參數，特別是齒輪轉速比（R）的調控，對外摩擦層的包覆程度及 FR-PET&PTFE FTENG 的整體結構有重要影響。因此，適當的R 有益于獲得結構緊密、性能優良的 FR-PET&PTFE FTENG 。圖3為不同 R 下編織得到的 FR- PET&PTFE FTENG 的光學顯微鏡圖。可以看出，隨著R的增加，獲得的復合紗線直徑隨之增大，外摩擦層結構逐漸松散。與R＞0.3相比，高速編織機在R=0.3的工藝參數下編織得到的FR- PET&PTFE FTENG呈現出最高的外摩擦層紗線密度和最佳的覆蓋均勻性，如圖3（a）所示。因此，選擇R=0.3作為最佳工藝參數，制備用于后續表征的FR-PET&PTFE FTENG標準樣品。

圖4為 FR-PET&PTFE FTENG 的 SEM 圖。如圖4（a）所示，4根FR-PET纖維和4根PTFE長絲呈致密編織的正交結構，均勻且密集地形成摩擦外層，無芯層紗線外漏。圖4（b）為FR-PET & PTFE FTENG的截面 SEM圖：作為內芯的鍍銀尼龍長絲處于FR-PET&PTFE FTENG的正中心，被 FR-PET&PTFE復合外摩擦層緊密包裹。外摩擦層的緊密包裹，一方面能夠很好的避免 FR- FTENG摩擦生電過程中電荷的泄露，另一方面能夠確保非阻燃性的芯層紗線被阻燃外摩擦層紗線完全保護，從而賦予所得FR-FTENG理想的阻燃性能。

由FR-PET&PTEE FTENG的應力-應變曲線可知，FR-PET&PTFE FTENG表現出305 MPa的強度和24%的斷裂伸長率。在此前的工作中，課題組成功制備出以FR-PET纖維構筑外摩擦層的 FR- FTENG （FR- PET FTENG）[26]。相較于 FR- PET FTENG 的機械性能（斷裂強度為218 Mpa，斷裂伸長率為45%），如圖5所示，FR-PET&PT- FE FTENG 的斷裂強度顯著提升到305 Mpa，但斷裂伸長率降低至24%。這主要歸因于外摩擦層中PTFE長絲的自身性質：PTFE長絲的斷裂強度高于FR-PET纖維，而斷裂伸長率相對較低，從而導致FR-PET&PTFE FTENG的斷裂強度升高，斷裂伸長率降低。此外，FR-PET&PTFE FTENG 的應力在15%應變處出現下降，這是由于 PTFE 纖維先于鍍銀尼龍紗線及 FR-PET 纖維在應變15%處斷裂所導致的。

3.2 FR-PET&PTFE TTENG 的制備與表征

3.2.1 FR-PET&PTFE TTENG的制備

以FR-PET&PTFE FTENG作為原材料（即經紗和緯紗），利用半自動織機，如圖6（a）進行FR- PET&PTFE TTENG 的織制，得到30 mm ×30 mm的面料，如圖6（b）與300 mm ×1250mm的面料，如圖6（c）所示，分別用于電輸出性能與阻燃性能的測試。

3.2.2 FR-PET&PTFE TTENG的電輸出性能

在此前研究中，單電極模式的 TTENG 主要在亞克力板的壓力作用下進行摩擦電輸出性能表征[31-33]。因此，本實驗也使用亞克力板施加壓力，表征FR-PET&PTFE TTENG的摩擦電輸出性能。由于亞克力板與FR-PET&PTFE TTENG外摩擦層紗線（FR-PET纖維和PTFE長絲）表現出相反的電負性，因此會在接觸時產生等量相反電荷，如圖7（a）所示；當二者相互遠離時，誘發FR- PET&PTFE TTENG 中的導電內芯產生正電荷，導致電子從導電內芯流到地面，從而產生瞬間電流，如圖7（b）所示；當兩個帶電表面分開足夠遠時，將建立靜電平衡，此時導電內芯由于電子的轉移呈現正電勢，如圖7（c）所示；當亞克力板再次接近FR-PET&PTFE TTENG時，誘導電子從地面流回導電內芯，產生反向瞬間電流，如圖7（d）所示；直至亞克力板重新與 FR- PET&PTFE TTENG相接觸，導電內芯回歸電中性，此時電勢恢復為0。因此，在壓力的循環作用下，FR- PET&PTFE TTENG與地面之間會往復出現電子的轉移，導電內芯的電勢也發生往復變化，產生交流（AC）電信號[26]。

圖8（a）-（c）為 FR-PET&PTFE TTENG 的電輸出性能。由圖可見，在2 Hz 的60 N壓力作用下，FR-PET&PTFE TTENG的開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、電荷（Qsc）分別可達26.84 V、0.32μA、8.95 nC。與課題組之前制備的完全以 FR-PET 纖維構筑外摩擦層的 TTENG（FR- PET TTENG）相比[26]，FR-PET&PTFE TTENG 的電輸出性能得到了顯著提升，Voc、Isc和Qsc均提升了150%左右。由于兩種紗線的直徑均為450μm，因此FR-PET&PTFE TTENG突出的電輸出性能主要歸因于外摩擦層中的PTFE長絲組分，如圖8（d）：在PTFE中，碳鏈上氟基團表現出極強的得電子能力，大大提升了其電負性，導致其在與亞克力板的接觸中能夠獲取更多的負電荷，顯著提升了FR-PET&PTFE TTENG外摩擦層的電荷密度。所以，相較于 FR-PET TTENG，循環壓力能夠誘發FR-PET&PTFE TTENG的導電內芯產生更多的電荷，大大提升了其電輸出性能。

利用搭建的測試平臺，賦予30 mm×30 mm FR-PET&PTFE TTENG 樣品60 N 外力作用，測量其電輸出性能（Voc、Isc和Qsc），結果如圖9所示：隨壓力頻率由1 Hz增加至5 Hz，FR-PET&PTFE TTENG 的Voc和Qsc基本保持穩定，沒有明顯變化，而Isc從0.22μA增加至0.68μA 。這是由于隨著沖擊頻率的增加，單位時間內會發生更多的電荷轉移循環，從而導致了輸出電流的增加[34]。此外，3種曲線都呈周期性，且Isc呈現出交流電特性，這一實驗結果很好地驗證了圖7所展示的 FR-PET&PTFE TTENG產電機理。

為了獲得FR-PET&PTFE TTENG的最大功率密度，在2 Hz的60 N外力作用下，研究了FR- PET&PTFE TTENG 在不同外接負載電阻下（1 kΩ-1 GΩ）電流和輸出功率密度的變化，結果如圖10所示：當負載電阻低于10 MΩ時，其輸出電流沒有顯著變化，但隨著負載電阻從10 MΩ增加到1 GΩ， 輸出電流隨之下降。此外，FR-PET& PTFE TTENG的功率密度（W）可以通過以下公式計算：

式（3）中I是輸出電流，R是負載電阻，A是有效面積[35]。根據計算所得，當負載電阻為300 MΩ時，FR-PET&PTFE TTENG 的 W 最高，為15.98 mW?m-2。

良好的工作穩定性與耐水洗性對于智能紡織品的實際應用至關重要。圖11（a）為 FR- PET&PTFE TTENG 在2 Hz 的60 N 外力作用下的電輸出性能變化。由圖所示：FR-PET&PTFE TTENG可在3600次的循環壓力后仍保持穩定的電性能輸出，Voc維持在27 V左右，如圖11（a），從而體現出FR-PET&PTFE TTENG優異的工作穩定性。這主要是由于：具有平紋結構的 FR- PET&PTFE TTENG 在長時間的壓力作用下，摩擦外層結構與導電內芯電導率均不發生變化，導致織物的電輸出性能基本保持不變。此外，FR- PET&PTFE TTENG 在經受5次洗滌后，電輸出性能基本保持不變，說明FR-PET&PTFE TTENG 具有良好的可洗性。這主要是由于構筑 FR- PET&PTFE TTENG的原材料（FR-PET纖維、PT- FE長絲和鍍銀尼龍長絲）均具有良好的可洗性，此外，致密的紗線外層以及織物組織進一步賦予了FR-PET&PTFE TTENG在水洗過程中良好的結構穩定性。

3.2.3 FR-PET&PTFE TTENG的透氣性、透濕性

由于使用時需要與人體肌膚進行接觸，所以穿著舒適性也是智能紡織品的重要性能之一。透氣性和透濕性是反映紡織品舒適性的重要參數。經過測試，FR-PET&PTFE TTENG 的透氣性高達1478.6 mm/s，水蒸汽透過率高達269.89 g/（m2· h）。這表明FR-PET&PTFE TTENG的舒適性較高。這主要是因為 FR-PET&PTFE TTENG為全纖維結構，沒有使用任何粘附劑或致密金屬膜，從而確保了空氣和水蒸氣能夠順利地透過織物。由于機織型 FR- PET&PTFE TTENG由經紗和緯紗交織而成，因此可在織造過程中通過改變織物組織、交織手法，來調整經紗和緯紗的密度進而調整織物的透氣性以及透濕性。此外，還可以通過調整外摩擦層材料（即 FR-PET 纖維和 PTFE 長絲）的規格，使得到的 FR-PET&PTFE TTENG更加輕薄。

3.2.4 FR-PET&PTFE TTENG的阻燃性能

本研究中，采用垂直燃燒測試儀、氧指數儀和錐形量熱法對FR-PET&PTFE TTENG的阻燃性能進行了系統評價，并與課題組之前制備的完全以FR-PET纖維構筑外摩擦層的FR-PET TTENG 的阻燃性能進行對比分析，如表2[26]。

極限氧指數（LOI）是指在規定的試驗條件（氧氮混合氣體中）下，材料剛好保持燃燒狀態所需的最低氧濃度。LOI值越大，說明材料燃燒時所需氧氣的濃度越高，材料的阻燃性能越好。一般規定：LOI =20為易燃材料，易點燃，燃燒速度快；20< LOI =26為可燃材料，可點燃或續燃，但燃燒速度慢；26< LOI =34為難燃材料，接觸火焰燃燒，離火自熄；LOI =35為不燃材料，常態環境及火源作用后短時間不燃燒[36]。表2是FR- PET&PTFE TTENG 和 FR-PET TTENG 垂直燃燒測試和極限氧測試的測試結果，可以看出，相較于 FR- PET TTENG（LOI 值=31.3%），FR- PET&PTFE TTENG 的 LOI 值升高至37.0%。因此，相較于作為難燃材料的 FR-PET TTENG， FR-PET&PTFE TTENG 屬于不燃材料。從 FR- PET&PTFE TTENG 在垂直燃燒實驗結果可看出，如圖12（a）所示，FR-PET&PTFE TTENG 的損毀長度僅14 mm，遠低于 FR-PET TTENG 的損毀長度（67 mm）。 FR-PET&PTFE TTENG 優異的自熄滅性能，主要歸因于外摩擦層中的PT- FE 長絲組分：被點燃時，PTFE 長絲熱降解反應時發生 C-F鍵的斷裂，吸收大量熱，導致維持面料持續燃燒的熱量不足，達到阻燃目的。此外，在垂直燃燒實驗中，FR-PET&PTFE TTENG無熔滴生成，而FR-PET TTENG則會產生明顯熔滴。這是因為在 FR-PET&PTFE TTENG 中，FR-PET纖維和PTFE長絲交替包覆形成外摩擦層，垂直燃燒過程中形成的高強度PTFE熔體包裹在FR- PET熔體外側，抑制了熔滴現象的發生。由此可見，相較于 FR- PET TTENG，FR- PET&PTFE TTENG表現出突出更為優異的自熄滅性能與抗熔滴性能。為了評估燃燒對于 FR-PET&PTFE TTENG 電輸出性能的影響，使用30 mm ×30 mm的FR-PET&PTFE TTENG樣品，測試其Voc在自熄滅前后的變化情況，如圖12（b）所示。研究發現，樣品在自熄滅后仍保持較高的電輸出性能，Voc為燃燒前的60％。這主要是由于 FR- PET&PTFE TTENG良好的自熄滅性導致大部分產電結構不會受到火焰損壞，從而確保其自熄滅后維持良好的電輸出性能。

錐形量熱儀是目前研究材料燃燒性能的重要儀器之一，通過測定材料燃燒時的耗氧量，來計算試樣在不同外界輻射熱作用下燃燒時所放出的熱量[37]。錐形量熱儀測試結果同材料在真實火災中的燃燒行為有較好的相關性，因此通常被用來預測材料的真實燃燒行為。圖13顯示了 FR-PET&PTFE TTENG的錐形量熱測試結果，并將其與FR-PET TTENG的錐形量熱測試結果相比較。如圖13（a）所示，FR-PET TTENG的引燃時間（TTI）為70 s [26]，而 FR-PET&PTFE TTENG 的引燃時間明顯延長至171 s，說明FR-PET&PT- FE TTENG可有效降低火焰蔓延的速度。此外，熱釋放率（HRR）和熱釋放速率峰值（pHRR）是評價材料燃燒性能的兩個重要表征參數，其值越高，表明材料的火災風險越大[38]。FR-PET&PT- FE TTENG 的pHRR為45.6 kW/m2，遠低于 FR- PET TTENG 的pHRR（336.02 kW/m2）。如圖13（b）所示，FR-PET&PTFE TTENG 的總釋放熱（THR）為5.32 MJ/m2，與 FR-PET TTENG（THR 為6.97 MJ/m2）相比，下降了23.7%。由此可見， FR- PET&PTFE TTENG 的熱釋放遠低于 FR- PET TTENG 。此外，阻燃智能紡織品的抑煙性也至關重要。如圖13（c）所示，FR-PET&PTFE TTENG的煙釋放速率峰值（pRSR）為2.42（m2/s）/ m2，與 FR-PET TTENG（pRSR為16.38（m2/s）/m2）相比，明顯下降。如圖13（d）所示，FR-PET&PT- FE TTENG 的總產煙量（TSP）為2.03 m2/m2，與FR-PET TTENG（TSP為2.81 m2/m2）相比，下降了27.8%。

由此可見，相較于 FR- PET TTENG，FR- PET&PTFE TTENG的熱釋放和煙釋放都得到大幅度的改善。這是因為：FR-PET&PTFE TTENG 外摩擦層使用4根阻燃抑煙性優異的PTFE長絲替代易發煙的 FR- PET 長纖維，導致 FR- PET&PTFE TTENG的熱釋放和煙釋放均顯著降低。

為了進一步闡明 FR-PET&PTFE TTENG 阻燃抑煙性的優化機理，對于 FR- PET&PTFE TTENG 錐形量熱測試的殘炭樣品進行了表征研究，并與 FR-PET TTENG 的殘炭樣品進行對比如圖14（a）-（d）所示。圖14（a）與圖14（c）分別是 FR-PET TTENG 和 FR-PET&PTFE TTENG錐形量熱測試殘炭圖像，顯示出二者在錐形量熱測試后均保留完整的殘炭結構。 FR-PET TTENG樣品在高熱通量下發生燃燒降解，形成疏松而極易碎裂的殘炭層，如圖14（b）所示，無法實現對于熱與氧的絕對阻隔作用；而 FR- PET&PTFE TTENG 中的 PTFE 長絲具有優異的耐高溫性，因此在高溫作用下僅發生部分熔融，形成高強度熔體包覆在織物表面，如圖14（d）所示，極好的阻隔了熱與氧的傳遞，同時抑制煙的釋放，如圖14（e）所示。

3.3 FR-PET&PTFE TTENG 的應用

鑒于其良好的電輸出性能以及優異的阻燃抑煙性，FR-PET&PTFE TTENG可用作智能防護服的制備，在石油鉆探行業、火災、戰爭等極端工作環境中體現出巨大的應用潛力。此外，FR-PET&PTFE TTENG 獨特的全纖維織物結構，大大提升了其在作為能源供應或自供電傳感器等可穿戴設備中的穿戴舒適性。圖15為FR-PET&PT- FE TTENG 作為自供電傳感器對于人體運動及生理信號的監測情況。首先，如圖15（a）所示，當 FR-PET&PTFE TTENG放置在腳底時，可用于檢測腳與地面接觸或分離時所產生的力，從而監測測試人員的行走和跑步過程。此外，FR- PET&PTFE TTENG的高柔性使其在大幅度人體運動（30%）下仍能保持優異的信號輸出穩定性，因此可對腕關節及指關節的彎曲進行準確監測如圖15（b）-（c）所示。隨著手指彎曲程度的不同，相應的電壓也隨之增加，表明了 FR- PET&PTFE TTENG作為自供電傳感器對于關節不同彎曲程度的精確監測能力。另一方面，由于FR-PET&PTFE TTENG對于壓力的高敏感性，還可將其用于小幅度肌肉運動和人類生命體征（如表情變化、脈搏運動、聲帶振動等）的準確監測。圖15（d）為粘附在面頰的 FR- PET&PTFE TTENG對于面部表情的靈敏檢測，當測試者微笑時，輸出0.3 V左右的電壓信號。圖15（e）所示為 FR-PET&PTFE TTENG 對于脈搏的監測情況：每個輸出電壓的峰值信號對應一次脈搏跳動。這說明FR-PET&PTFE TTENG對于生理指標的準確監測具有重要意義。此外，當 FR- PET&PTFE TTENG 固定在測試者喉嚨上時，可以監測聲帶振動。如圖15（f）所示，當測試人員說出不同的音節（如“你好”、“聲音”等）時，FR- PET&PTFE TTENG可輸出重復、穩定、具有模式化特征峰值的實時電壓信號，表現出靈敏的嗓音識別能力，由此顯示出其在自主發音康復訓練中良好的應用前景。由此可見，利用FR-PET&PT- FE TTENG構筑的阻燃智能防護服，可滿足對于人體大幅度肢體動作及較微弱生理體征的全譜監測。

除了用于阻燃智能防護服用于極端環境之外，FR-PET&PTFE TTENG還能在感應操縱系統中作為信號傳輸端，用于控制外電路的工作狀態。如圖16（a）所示，該感應操縱系統主要由三個模塊組成：控制模塊、信號處理與傳輸模塊和展示模塊。控制模塊中的 FR- PET&PTFE TTENG 在壓力作用下輸出電信號作為控制指令，電信號傳輸至微信號傳感器中完成分析處理后，再傳輸至展示模塊致使臺燈發光或熄滅，如圖16（b）所示。該基于 FR-PET&PTFE TTENG 的感應操縱系統在火災警示中表現出巨大的應用前景。

4 結論

本研究針對此前TTENG的阻燃抑煙性及抗熔滴性有待進一步提高的問題，采用高速編織技術，得到以PTFE長絲和FR-PET纖維為外摩擦層的導電復合紗線，并將其編織成單電極的摩擦納米發電織物（FR-PET&PTFE TTENG）。一方面， PTFE 長絲的高電負性賦予了FR-PET&PTFE TTENG 優異的電輸出性能：FR- PET&PTFE TTENG在60 N壓力下的Voc為26.84 V，Isc為0.32μA，Qsc為8.95 nC，在外負載電阻為300 MΩ的情況下最大功率密度可達15.98 mW?m-2。另一方面，PTFE 長絲優異的耐高溫性使 FR-PET&PT- FE TTENG表現出良好的阻燃抑煙性：極限氧指數為37％，燃燒時不會產生熔滴，煙釋放量下降了27.8％，且在自熄后仍能保持60％的電輸出性能。本研究提出的FR-PET&PTFE TTENG自供電傳感織物，展現了出色的電輸出性能和高阻燃抑煙性，在智能防護服和火災警示等領域具有巨大的應用潛力。

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（責任編輯：周莉）