用可穿戴設(shè)備收集能源的有趣方式

非常規(guī)紡織業(yè)雖已穩(wěn)固發(fā)展50余年，但用紡織物收集能量領(lǐng)域尚處方興未艾，所以該領(lǐng)域商業(yè)化還未達到可精細量化的程度，用纖維材料來收集與儲存能量的技術(shù)尚未成熟，可穿戴設(shè)備也是如此。然而，這一融合技術(shù)卻蘊藏著巨大的發(fā)展?jié)摿?，這不僅是因為用身上穿的衣物可自動收集能源，而且還是因為可解決諸多實際問題。

“雙交叉”技術(shù)與人口增長和能源需求

該新興領(lǐng)域收集能源的潛力雖然還不能與現(xiàn)有的初級或次級能源需求相提并論，但這對傳統(tǒng)紡織產(chǎn)業(yè)的復(fù)蘇和發(fā)展有著重大意義。在紡織科學(xué)界，新興領(lǐng)域的出現(xiàn)為多學(xué)科協(xié)作研究提供了數(shù)不勝數(shù)的機會。

瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，只需做一點新的小調(diào)整，便能使有機電子產(chǎn)品的效能提高一倍。有機發(fā)光二極管顯示器、塑料太陽能電池以及生物電子產(chǎn)品也都能從其自身的新發(fā)現(xiàn)中獲益，而上述發(fā)明的相似之處就在于，都涉及到“雙交叉”的聚合物技術(shù)。該理念由安德烈亞斯·達林副教授提出，即用于提升可彎曲電子紙的變換速率。

全球人口增長和能源需求越來越大，這是影響人們對可穿戴設(shè)備和能量收集柔性材料需求及其發(fā)展的兩大主要因素。聯(lián)合國提供的數(shù)據(jù)顯示，到2050年，全球人口預(yù)計將達到97億。印度人口會在2030年超越中國，成為世界第一人口大國。屆時人們對食物和燃料的需求會大大增加，這將為汽車與紡織業(yè)結(jié)合的行業(yè)提供發(fā)展基礎(chǔ)與方向，也促進紡織業(yè)在推出顛覆性發(fā)明的同時繼續(xù)穩(wěn)步推進。

據(jù)經(jīng)合組織估計，全球仍有20%的人口無電可用。這凸顯出對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和研究進行投資的需要，然而這項投資總額可能高達46萬億美元。隨著人口的增長，在2050年能源消耗將上升80%。而柔性聚合物和紡織物的“雙交叉”技術(shù)在緩解化石能源壓力上做出應(yīng)有的貢獻。

可穿戴設(shè)備與能源收集

在能源需求量巨大的科技發(fā)達國家，其實驗室如美國國家可再生能源實驗室都有扎實的研究基礎(chǔ)，作為能源生態(tài)系統(tǒng)，它有利于開展“關(guān)乎使命”的研究，以開發(fā)具有成本效益和適用性的能量收集裝置。有趣的是，現(xiàn)有的能源消耗兩大來源仍然是石油（占比37%）與天然氣（占比31%），而此類自然資源十分有限。數(shù)據(jù)有力地表明，高級紡織品在提高能源需求和促進能源需求多樣化方面蘊含著巨大的潛力。

世界大國都迫切需要對其棉纖維產(chǎn)業(yè)和紡織品產(chǎn)業(yè)進行多樣化改革。美國種植的80%棉花都出口到別國，而在貿(mào)易過程中出現(xiàn)的插曲，如中美貿(mào)易戰(zhàn)又或使印度紡紗產(chǎn)能過剩，導(dǎo)致其棉紗出口呈低迷態(tài)勢，因此帶來的連鎖反應(yīng)迫使紡織服裝工業(yè)部門度日如年。

“雙交叉”技術(shù)可改進柔性有機太陽能蓄電池的光能收集效率。該蓄電池由埃匹斯光能公司（Epishine AB）提供。一般來說，人們將電子晶片、集成電路芯片或功能化學(xué)制劑這類配備有功能組件的柔性纖維紡織物稱之為可穿戴紡織科技設(shè)備。因此通過將身體熱量或外部能源轉(zhuǎn)換為機械力和熱力，從而形成可生成或收集和儲存能量的紡織結(jié)構(gòu)被歸類為“可穿戴設(shè)備”。

可穿戴設(shè)備行業(yè)處于方興未艾時期，或許目前還無法取得有效的量化數(shù)據(jù)。但這些產(chǎn)品被歸到了囊括更廣的“智能紡織品”領(lǐng)域。眾多市場研究機構(gòu)的調(diào)查表明，到2025年，全球這一領(lǐng)域的產(chǎn)值有望達到1000億美元。

紡織品早期在儲能領(lǐng)域的成功源于無紡電池隔膜的研發(fā)。將陰陽兩極分離并允許離子自由流動的玻璃纖維基無紡布便是一個很好的例子。電池隔膜為無紡布開辟了一大廣闊市場。據(jù)霍林斯沃思公司稱，隔膜所使用的材料（如人造纖維和有機纖維或玻璃纖維混合物）取決于其所適用的電池類型（如鉛酸或鋰離子）。

電子嵌入式紡織品為時尚設(shè)計師與紡織設(shè)計師們提供了許多大顯身手的機會。寶琳·范東恩推出了“太陽能派克大衣”，即利用將太陽光線轉(zhuǎn)化為電能的原理，可在兩個小時內(nèi)為智能手機充滿電。為進一步發(fā)展電子嵌入式紡織品，設(shè)計師與終端用戶業(yè)界進行著不懈的努力。

早在20年前，美國佐治亞理工學(xué)院教授桑德里森·加亞拉曼將計算機概念與紡織品相結(jié)合，研發(fā)出“智能襯衫”，這是世界上第一批可穿戴主板及紡織品行業(yè)中最早涉足柔性可穿戴設(shè)備概念研究的產(chǎn)品。經(jīng)過這些年的發(fā)展，該設(shè)備早已進化成為可水洗且耐用的可穿戴設(shè)備。

從人體運動中采集能源的新型材料

世界上有4種柔性聚偏氟乙烯聚合膜，因其具有柔性而被制作成運動服，據(jù)稱這種面料穿在身上人均可形成112.2毫瓦的電能并將其儲存至穿戴式超級電容織品內(nèi)。壓電材料外形對稱，由數(shù)個晶體元件組成。該材料遇機械變動（彎曲）時，其內(nèi)晶胞失衡，進而產(chǎn)生表面電荷。若將電荷從該類材料的表面移除，就必須將其再次折彎最終形成交差電荷。反向壓電以相同方法通過電流使其內(nèi)晶胞失衡，即能實現(xiàn)這一目標(biāo)。

聚偏氟乙烯是所有聚合物中壓電特性最強的物質(zhì)。它是一種含有線性聚合物鏈[CF2—CH2]的熱塑性氟聚合物，通常由熔融紡絲或溶液紡絲制成，并可加工為纖維和薄膜。聚偏氟乙烯具有生物適應(yīng)性和高度的耐化學(xué)性。但其單體內(nèi)存在的兩類負電性氟使其兼具鐵電、熱釋電、壓電性能。在聚偏氟乙烯的四類相中，只有顯示壓電特性的β相通常是由α相經(jīng)冷卻或電場轉(zhuǎn)化而來。為測量電容器的電壓以及產(chǎn)生的電流，將柔性聚偏氟乙烯聚合膜以各種角度（10, 40, 55, 70）在不同頻率（1赫茲，1.5赫茲， 2赫茲，2.5赫茲）之下彎折。數(shù)據(jù)需在受控環(huán)境下，免受聲音、氣流、水珠及觸碰的干擾，因為以上因素均會影響聚偏氟乙烯的振動。

聚偏氟乙烯薄膜觸感柔軟，且僅需使用簡易的高粘性密封劑，便可輕松置入紡織品內(nèi)，故最宜用于收集人體運動能量。該物質(zhì)抗腐蝕性強，可抵抗近乎所有化學(xué)物質(zhì)（例如酸和堿）的腐蝕，且響應(yīng)時間短于100次/秒。它實際上可減緩產(chǎn)品老化，能承受100萬次0～200千帕的壓力循環(huán)。該物質(zhì)還具有熱電性，在周圍溫度變化時會釋放電量，極適合應(yīng)用于各類環(huán)境。除此之外，聚偏氟乙烯在彎力作用下面積就越小，條帶長度就越短，其產(chǎn)生的電流反而越強。該特性恰好使聚偏氟乙烯適合應(yīng)用于人體，并且不會造成人體不適。

薄膜與紡織物拼貼而成的橫截面光學(xué)圖像表明，可通過高粘性密封劑以肩帶、間隔織物等各種形式將聚偏氟乙烯附于或融入紡織物。就運動服整體拼接而言，需采用可更好維持服裝質(zhì)量與舒適度的技術(shù)，并輔以密封劑，對其各部分進行拼接，但因縫制工藝可能有損成衣的質(zhì)量。此外，熱粘合技術(shù)也會改變聚偏氟乙烯的性能。現(xiàn)已證實，聚偏氟乙烯薄膜可在人體行走時產(chǎn)生的肩關(guān)節(jié)彎曲、膝關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)的運動中產(chǎn)生平均112.2毫瓦的電能，這遠高于如今能產(chǎn)生40毫瓦電能的背包式疊層懸臂（功率為16微瓦）與壓電陶瓷懸臂（功率為10微瓦）的常規(guī)產(chǎn)品。

多樣化研發(fā)助推紡織與能源技術(shù)融合

美國紡織化學(xué)師與印染師協(xié)會（AATCC）在制定可穿戴電子紡織品標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮著重要的作用。這使該行業(yè)未來能開發(fā)出具有確定質(zhì)量基準(zhǔn)的新型可穿戴設(shè)備，從而為中小型企業(yè)提供新機會。

人們希望紡織品能夠既實用又耐洗，相應(yīng)的對策便是將功能電子元件縮小，因此該需求可促進紡織品納米系統(tǒng)的開發(fā)。早在2005年，美國佐治亞理工學(xué)院王中林教授提出“納米自供電系統(tǒng)”的概念，即納米可從外界發(fā)電為電池充電。他通過構(gòu)造雜交細胞的方式對其進行深入闡述，這一概念使利用太陽能、化學(xué)和機械方式收集能量變?yōu)榭赡?。近日，美國普渡大學(xué)研究人員利用化學(xué)方法，在紡織品中嵌入摩擦發(fā)電機，研發(fā)出自供電電子紡織品，這類紡織品由于添加了氟化配方而具有疏水性。

使用生物分子（如蛋白質(zhì)）以研發(fā)可耦合于紡織物之上的能量收集設(shè)備也已成為大勢所趨。近日，美國得州A&M大學(xué)研究人員研發(fā)出一種電極，其使用的合成材料就由炭黑和多肽制成。

20年來，可穿戴設(shè)備從使用大型電子組件到納米發(fā)電機，已走過了一段征程。而最近科學(xué)家正設(shè)想在可穿戴設(shè)備中應(yīng)用生物技術(shù)。在紡織產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域嘗試上述研發(fā)有利于促進該行業(yè)向縱深發(fā)展，同時以電子設(shè)備與基因重組技術(shù)研發(fā)可穿戴能量收集器將縮短可穿戴設(shè)備和用服裝收集電能的智能化研發(fā)進程。

從行業(yè)角度來看，紡織材料應(yīng)用于前沿領(lǐng)域的方面越來越多，它不僅改善著人們的生活，還拯救了環(huán)境，因此這就意味著，用紡織品收集能源具有廣闊的發(fā)展前景。

（據(jù)美國高級紡織資源網(wǎng)https://advancedtextilessource.com/2019/08/26/textiles-and-energy-technologies-for-the-future/與孟加拉國《今日紡織》https://www.textiletoday.com.bd/energy-harvesting-human-body-movement-walking-integratingpiezoelectric-pvdf-film-garment/近期資料）