鑽石舞台

1. 通過濕拉和濕擰的方法製備了一種BC基的複合導電纖維。

3. 基於BC基導電纖維線設計的織物基TENG具備可水洗的結構穩定性和電輸出穩定性，並且能有效驅動手錶、計算器和溫度濕度計等商用電子產品的運行性。

4. 設計的織物TENG作為自供電傳感器，可有效地監測人體步行、跑步、跳躍、抬高手臂、手臂彎曲和抬腿等運動。

用於製造可穿戴摩擦納米發電機(TENG) 以獲取人體機械能的電子纖維已得到了廣泛的研究。然而，很少有人關注它們在環境友好性、機械性能和穩定性方面的共同優勢。在這裡，我們報告了一種超強機械強度、可生物降解和可清洗的纖維素基導電纖維線。該纖維線是利用BC的三維網絡結構摻雜合成導電物質導電碳納米管 (CNT) 和聚吡咯 (PPy)後通過拉伸和濕捻的方法製備得到。製備的纖維素基導電纖維線具有449 MPa 的高拉伸強度(能夠提拉 2 Kg的重量)、良好的導電性(~5.32 S/cm)和優異的穩定性(浸入水中1天拉伸強度和導電率僅下降 6.7% 和 8.1%)。降解實驗表明，纖維線在纖維素酶的作用下108小時內可以完成降解。應用方面，由纖維素基導電纖維線設計製備的織物基TENG的最大開路電壓為170 V，短路電流為0.8 µA，輸出功率為 352 µW，能夠有效為電容器充電並驅動商業電子設備的運行。另外，織物基TENG可以附着在人體衣物上，作為自供電傳感器有效監測人體多狀態運動。

由細菌分泌合成的細菌纖維素(BC)是一種豐富的天然聚合物，具有由納米纖維組成的三維(3D)網絡結構。優良的機械性能、良好的生物相容性/生物降解性、高孔隙率和高純度使得BC在柔性電子、生物醫學設備、化妝品、組織工程、藥物釋放和傷口敷料等領域得到了廣泛的應用研究。如圖1a所示，我們利用BC的網絡結構固定導電CNTs和原位合成PPy賦予纖維導電特性，然後利用濕拉和濕擰的方法來提高BC纖維的取向度和緊密度以增強其機械性能。在拉伸狀態下乾燥後得到直徑約為0.4 mm的BC基導電纖維線。

II BC基導電纖維的微觀形貌及理化性質表徵

製備的純BC纖維線機械強度接近810 MPa, 隨着CNTs摻雜和PPy的合成，由於納米纖維的緻密度有所下降，導致機械強度逐漸降低，但是BC/CNT/PPy纖維線的機械強度仍然高達490 MPa, 高於其他同尺寸的聚合物金屬複合導線。另外，CNTs和PPy也有效地賦予了纖維線導電特性，BC/CNT/PPy纖維線導電率最高為5.3 S/cm。由於製備的導電纖維線緻密的納米纖維結構，使得其在水中也具有很好的結構穩定性，在水中浸泡1小時後乾燥，其機械強度和導電率只損失約6.7%和8.1%。

III 導電纖維線基材BC的可生物降解性

圖4. BC和BC/CNT/PPy粗纖維在纖維素酶溶液中的降解實驗。降解過程中纖維線的光學圖片，(a) 純BC纖維線，(b) BC/CNT/PPy導電纖維線；纖維降解過程中的SEM圖像，(c) 純BC纖維線和 (d) BC/CNT/PPy導電纖維線；(e) 純BC纖維線和 BC/CNT/PPy導電纖維線在降解過程中的重量損失率及(f)降解過程中纖維素酶溶液中總糖含量變化。

IV 織物基TENG的製備及性能表徵

圖5. (a)織物基TENG結構示意圖；(b)織物基TENG兩種工作模式，(ⅰ)接觸分離模式和(ⅱ)單電極模式，織物基TENG 的電輸出性能和自充電演示；(c)短路電流，(d)開路電壓和(e)織物基TENG在各種頻率下的轉移電荷；(f) 瞬時功率作為外部負載電阻的函數；(g) 織物基TENG在1Hz頻率不同衝擊力下的輸出電壓；(h)不同濕度下織物基TENG的輸出電壓；(i) 織物基TENG洗滌前後的輸出電壓；(j) 在1 Hz的接觸分離頻率下，織物基TENG在1000秒內的輸出電壓；(k) 織物基TENG在100次機械變形循環下的輸出電壓。

V 織物基TENG驅動電子設備和監測人體活動的應用

圖6. 基於織物的TENG的應用研究。(a) 織物基TENG充電電容器和供電電子設備示意圖；(b)機械加載時織物基TENG對商用電容器的充電曲線；(c)手錶供電時電容器電壓實時測試；TENG驅動(d) 手錶、(e) 溫度濕度計和 (f) 計算器的運行；(g) 測試織物基TENG作為自供電傳感器的照片和輸出電壓信號，該傳感器固定在人體各個部位(腳跟、軀幹側面、肘部和敏銳關節)以監測機械運動、(ⅰ)步行、(ⅱ)) 跑步，(ⅲ) 跳躍，(ⅳ) 舉臂，(ⅴ) 手臂彎曲和(ⅵ) 抬腿。