人体与织物材料的摩擦起电机理、防护与利用

The friction at the interface between the human body and the fabric will generate triboelectric charges. On one hand, the static electricity will bring harm to human health, bring safety hazards to ordinary life and industrial production. On the other hand, the generated charges can also be collected for practical use as the power supply for the wearable electronic devices. Studying the mechanism of triboelectricity generation process between human body and fabrics, and achieving effective control of frictional electrification performance, are very important for researches on human body and fabric electrostatic protection and friction mechanical energy harvesting. This project intends to explore how fabric composition, fabric surface morphology, chemical composition of fabric surface, pressure between human body and fabric, friction, environmental temperature and humidity, etc. can affect the generation of triboelectricity between fabric and human body. This study will give a comprehensively understanding of the triboelectricity generation mechanism between human body and fabric surface and realize the effective regulation of triboelectricity between human body and fabric interface. This research will provide theoretical basis and technical guidance for the preparation of high-efficiency electrostatic protection fabric materials and wearable electronic devices.

人体与织物界面处的相对运动会产生摩擦电荷，该现象一方面会产生静电，给人体健康带来危害，同时给生产生活带来安全隐患；另一方面，摩擦产生的电荷可以收集利用，用于可穿戴电子设备的供电。研究人体与织物界面摩擦电荷的产生机理，实现摩擦起电性能的有效控制，对人体与织物静电防护和摩擦发电等研究有重要的指导作用。本项目拟选择具有不同成分和形貌的织物，研究织物成分、织物表面结构、织物表面化学组成、人体与织物间压力、摩擦力、环境温湿度等多种因素对人体与织物界面摩擦起电性能的影响，全面地认识人体与织物界面摩擦电荷的产生规律，揭示人体与织物界面摩擦起电的微观机理，进而实现人体织物界面摩擦起电性能的有效调控。研究将为制备高效静电防护织物材料和织物摩擦供电提供理论依据和技术指导。

人体与织物界面处的相对运动会产生摩擦电荷，该现象一方面会产生静电，给人体健康带来危害，同时给生产生活带来安全隐患；另一方面，摩擦产生的电荷可以收集利用，用于可穿戴电子设备的供电。研究人体与织物界面摩擦电荷的产生机理，实现摩擦起电性能的有效控制，对人体与织物静电防护和摩擦发电等研究有重要的指导作用。本项目选择具有不同成分和形貌的织物，研究织物成分、织物表面结构、织物表面化学组成、人体与织物间压力、摩擦力、等多种因素对人体与织物界面摩擦起电性能的影响，全面地认识人体与织物界面摩擦电荷的产生规律，揭示人体与织物界面摩擦起电的微观机理，实现了人体织物界面摩擦起电性能的有效调控。通过对滑动摩擦条件的精确定量调控，系统研究了运动条件、表面组成和环境因素对摩擦学和摩擦电性能的影响。实验证明滑动速度越快，载荷越大，相应的摩擦电输出也越大。此外，当沿着表面纤维纹理摩擦时，摩擦电流和摩擦系数值最小，随着角度的增加，输出逐渐变大。不同的温湿度会改变环境中的水分和摩擦层的界面状态，而末端官能团的修饰可通过改变织物表面得失电子的能力来调节滑动摩擦界面处的摩擦学及摩擦起电性能。这项工作为设计高效或减摩织物材料提供了一般准则和方便的操作策略。此外，通过在织物表面修饰NHCOO-PFOTS，实现了超疏水织物的制备和人体运动能的高效收集，且不会破坏织物原有的形貌和透气性。基于表面润湿状态和摩擦电性能的测试验证了本研究中制备的F-TENG的实用性。当接触面积为16 cm2时，氟化丝绸和尼龙织物可产生的电压和电流分别为465.63 V和26.04 µA。此外，在45000次接触分离运动循环、70小时清洗和10000次连续滑动摩擦循环后，摩擦电输出几乎没有衰减，证明了该器件具有良好的耐用性。该功能化织物可以从人体运动及滑动的水滴获取能量，并为无线报警器供能，实现溺水或下雨的预警。上述研究为制备高效静电防护织物材料和织物摩擦供电提供理论依据和技术指导。