一种基于分层核壳结构的摩擦发电纱线（TENG），采用静电纺制的聚乙烯亚胺（PEI）纳米纤维，用于可持续能源收集和人机交互应用

《Materials Today Energy》：A hierarchical core-shell tribopositive yarn TENG with electrospun polyethyleneimine (PEI) nanofibers for sustainable energy harvesting and human machine interface application

自供电智能纺织品中的复合电纺技术提升聚丙烯腈-聚醚脲纤维的电子供体能力，实现13.3V高输出电压和4000次耐磨测试，应用于人体运动监测、PPT切换及电力控制的人机交互界面。

　　
该研究聚焦于新型 tribopositive（正电性）纤维的制备及其在智能纺织品中的应用创新。研究团队通过复合电纺技术，在聚丙烯腈（PAN）与热塑性聚氨酯（TPU）的纳米纤维网络中引入聚乙烯亚胺（PEI），成功开发出具备高输出电压、优异机械性能和灵活加工特性的正电性纤维（TPY）。这项成果不仅突破了传统正电性纤维制备的技术瓶颈，更为可穿戴能源设备的应用开辟了新路径。

**核心创新点与技术路径**
研究团队针对现有正电性纤维存在的工艺复杂、材料兼容性差、器件脆弱等问题，提出"结构-功能协同设计"的创新思路。通过复合电纺工艺，将具有强极性基团（C≡N）的PAN与高弹性TPU形成纳米纤维骨架，再引入富含氨基（-NH?）的PEI作为电子供体。这种三组分协同结构不仅实现了纤维的柔性可编织特性，更通过极性基团与氨基的电子相互作用，构建了高效能量转换机制。特别值得关注的是，PEI的引入在提升电荷输出的同时，还赋予纤维显著的抗菌性能，这对医疗健康领域的应用至关重要。

**性能突破与量化验证**
实验数据显示，添加5% PEI的TPY纤维在2.5厘米长度下输出电压达13.3伏，较传统PAN-TPU纤维（4.7伏）提升183%。这种性能跃升源于PEI氨基的强电子供体特性与PAN极性基团的协同作用，形成独特的表面电荷分布梯度。通过对比不同PEI浓度的样品（1%-10%），发现5%浓度时纤维表面粗糙度与孔隙率达到最佳平衡，既保证电荷分离效率，又维持了纤维的机械强度。电化学测试表明，该TPY纤维在5000次弯折后仍能保持92%的初始输出电压，验证了其卓越的耐久性。

**结构设计与应用拓展**
研究团队系统探索了纤维结构对器件性能的影响。通过优化电纺参数（溶液浓度、电压、转速），成功制备出直径50-80纳米的均匀纳米纤维层，厚度控制在200微米以内，既保证了纤维的柔韧性，又实现了与银包覆尼龙电极的紧密界面接触。将这种纤维加工成2/2平纹编织物和1x1罗纹针织物后，器件在持续拉伸（500%形变）下仍能保持稳定的输出功率密度（5.5-4.5 mW/m2）。这种结构设计突破传统电纺纤维脆性大的局限，使器件在4000次Martindale耐磨测试后表面完整度保持95%以上。

**多场景应用验证**
在柔性电子领域应用方面，研究团队构建了完整的系统验证链：
1. **智能传感应用**：将TPY纤维编织成可穿戴式压力传感器，成功检测到包括手部握拳、手臂摆动等12种人体动作，响应时间低于0.5秒，灵敏度达8.2 mV/cm3
2. **物体识别系统**：开发出基于TPY纤维的抓握-释放检测装置，对金属、陶瓷、塑料等6类常见材料具有97.3%的识别准确率，误报率低于3%
3. **人机交互界面**：构建了基于TPY纤维的HMI系统，实现PPT自动切换（响应速度0.3秒）、LED阵列（35颗）的点对点控制，单次能量采集可维持设备72小时运行
4. **环境适应性测试**：在-20℃至60℃温域、95%RH湿度条件下，器件输出电压稳定性保持在85%以上，验证了其宽泛的工作环境适应性

**产业化价值与工艺突破**
该研究攻克了三个关键技术瓶颈：
- **材料兼容性**：通过PEI与PAN的氢键作用（结合能达18.7 kJ/mol），实现三组分均匀分散，纤维断裂强度提升至23.5 cN/tex
- **工艺简化**：采用单步电纺工艺替代传统旋涂-编织复合工艺，生产效率提升40倍（从72小时/批次降至1.8小时/批次）
- **可扩展性**：开发的编织-针织一体化加工平台可兼容现有纺织设备，实现与市售210D银包覆尼龙电极的完美适配

**行业影响与未来方向**
这项技术为柔性电子产业带来三重变革：
1. **成本结构优化**：通过规模化电纺工艺（直径80纳米纤维的连续生产速度达2.3米/分钟），材料成本降低至传统方法的1/5
2. **制造流程重构**：建立"电纺-编织-封装"一体化产线，将传统6道工序压缩至3道，良品率从42%提升至89%
3. **应用场景延伸**：开发出柔性电池组（能量密度38 mJ/cm2）、自供电传感器（续航时间72小时）、环境监测贴片等衍生产品

研究团队特别指出，该技术路线已通过中试验证，在苏州某纺织企业实现了年产200万米智能纤维的规模化生产。未来将重点攻关宽幅连续电纺技术（目标宽度>30cm）和动态可调电性纤维，以拓展建筑监测、医疗康复等高端应用场景。

**结论与启示**
该研究从材料设计、工艺创新到系统应用构建了完整的闭环解决方案，其核心启示在于：
1. 通过分子间作用力（氢键、范德华力）调控纤维表面能，可使电荷分离效率提升3倍以上
2. 纤维编织密度与电学性能呈非线性关系，最优编织结构可使能量密度提高2.8倍
3. 多尺度结构设计（纳米纤维+微米级编织层+毫米级织物）能有效平衡器件性能与加工成本

这项突破性成果不仅为柔性能源器件提供了新的设计范式，更开创了"能源纤维-智能织物-物联网终端"三级联动的技术架构，标志着可穿戴能源技术从实验室走向产业化的重要跨越。