DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107885

电子纺织品已经发展成为一种多功能柔性电子平台。然而，由于涂层等处理方法，织物被赋予了电子功能，同时削弱了其原始性能。因此，电子织物的发展还有很长的一段路要走。在此，本研究连续制备了一种由纳/微米芯鞘纱线构成的防水透气织物摩擦电纳米发电机（CSYF TENG），用作能量收集、自供电湿度和微力传感系统。与涂层纱线不同，本研究通过一步共轭静电纺丝技术制备了单轴定向CSYs，其中有序纳米纤维紧密包裹在导电纤维周围。由于分层结构和巨大的比表面积，CSYF TENGs显示出前所未有的电气输出性能，出色的耐久性和生物力学压力敏感性，以及优异的舒适性，即在不牺牲织物原有性能基础上的防水性、透气性和柔性。此外，基于微/纳米径向膨胀纤维织物结构，CSYF TENG显示出优异的湿度管理性能，以及对湿度的快速响应（8秒）/恢复，从而使其成为一种理想的自供电湿度传感器。而且，这种TENG还可以用作生物能源收集器、自供电微力传感器以及具有优异机洗和耐磨性能的织物基电子皮肤。总体而言，本研究突出了CSYs在可穿戴TENGs和自供电电子纺织品中的重要性。

图1.单轴定向纳/微米芯鞘纱线和相应CSYF TENG的示意图及形态。（a）通过共轭静电纺丝技术制备的纳/微米芯鞘纱线的制备工艺和结构示意图。（b）CSYs横截面的SEM图像和（c）CSYs的照片。（d）具有良好柔性的CSYF TENG的SEM图像和（e）照片（尺寸：3×3cm2）。（f）防水透气CSYF TENG的示意图。CSYF TENG还可用于生物能源采集和传感。（g）CSYF TENG自支撑在一根狗尾草上（尺寸：1×1cm2），显示其轻质。

图2.CSYF TENGs的物理特性。（a）PVDF、PVDF/PTFE和PCL纳米纤维的FTIR光谱。（b）CSY和（c）放大截面的SEM图像。（d）PVDF/PTFE（左图）和PCL（右图）CSYs鞘层上纳米纤维的纤维直径分布。（e）压差为100Pa时CSYF TENGs的透气性和水接触角（WCA）值。（f）一滴有色水样在PVDF/PTFE（上图）和PCL（下图）CSYF TENGs表面的照片。（g）将PVDF/PTFE（上图）和PCL（下图）CSYF TENGs浸入红色水中的步骤照片。（h）（I）PVDF/PTFE TENG表面上的水滴扩散和（II）PCL CSYF TENG的WCA测量。（i）PCL CSYF TENG顶部和底部表面随时间变化的水分管理曲线（内部：湿润半径），其中水分含量（%）是指相对于织物干重的含水量百分比。

图3.垂直触点分离模式下CSYF TENGs的电气输出性能。（a）（i）几乎接触和（ii）分离过程中TENGs产生的电压差的有限元模拟。（b）CSYF TENGs的能量收集机制示意图。（c）不同频率（1-5Hz）下CSYF TENGs（上图）和涂层纱线织物TENGs（下图）的电气输出参数。（d）TENG的VOC和瞬时功率密度（W）对不同负载电阻的依赖性。（e）10000个连续工作循环下TENGs的ISC，内部：初始状态下和10000个工作循环后的ISC。（f）由外部机械能充电、由被驱动电子装置放电的TENGs的充放电曲线，插图：自供电系统和被驱动电子表的等效电路。（g）TENG的实际应用：点亮LEDs。

图4.CSYF TENGs的透湿防水功能。（a）CSYF TENGs的防水和汗液传输-蒸发过程示意图。（b）CSYF（左图）和传统织物（右图）TENGs基于连续湿度变化产生的短路电流密度（JSC）与时间的函数关系。在不同湿度条件下，（c）CSYF和（d）传统织物TENGs产生的JSC。（e）两种TENGs对湿度的响应和恢复时间。（f）两种TENGs的敏感性和恢复率。（g）CSYF TENGs作为自供电湿度传感器的示意图。

图5.CSYF TENGs作为压力传感器的灵敏度以及自供电可穿戴键盘的工作原理。（a）不同施加压力下CSYF TENGs的VOC。（b）CSYF TENG的输出电压与施加压力的函数关系，绿色直线对应于线性拟合函数。（c）狗尾巴草平放和竖放的相应照片。（d）一根狗尾草诱导的SI-TENG的VOC。（e）在2Hz的冲击频率下，经重复清洗循环的CSYF TENG的输出电压。（f）（I）Martindale起毛起球试验示意图以及（II）初始状态和4500次磨损循环后CSYF TENG的照片。（g）自供电可穿戴键盘内单元电池的工作原理。（h）手指轻敲单元电池的VOC。（i）自供电可穿戴键盘作为便携式人机界面与终端设备配合使用的示意图。（j）织物基键盘产生实时按键信号的照片。（k）9个电池产生的电压信号。