一种兼备柔性发电功能的衣服的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种兼备柔性发电功能的衣服，包括衣服本体以及多个发电纤维组，发电纤维组各自由第一和第二组件组成，其中第一组件由纺织线和均匀包裹其上的第一导电层共同组成，并在第一组件的一个末端加工有作为负极的第一电极；第二组件由纺织线、均匀包裹在纺织线上的第二导电层和包裹在第二导电层上的高分子绝缘层共同组成，其中留下第二导电层的一个末端不予包裹，并在此位置加工有作为正极的第二电极；第一、第二组件相互缠绕成双螺旋结构，并通过并联方式组装在衣服本体中。本实用新型还公开了其他一些构造形式。通过本实用新型，能够使衣服还能提供较大功率输出的功能，同时具备结构紧凑、便于加工制造、高柔性和高复合性等特点。
【专利说明】一种兼备柔性发电功能的衣服
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于纺织【技术领域】，更具体地，涉及一种兼备柔性发电功能的衣服，其 具备高柔性和高复合性，同时能够安全、便捷地产生功率输出，因而尤其适用于可穿戴式电 子产品的临时性充电用途。
【背景技术】
[0002] 近年来，可穿戴式的电子产品蓬勃发展，例如出现了可穿戴式的用于检测人体健 康数据的手环等产品。就目前来说，这些电子产品的功耗越来越低，已经接近毫瓦（mW)级 另IJ，可是它们往往还是需要外带的电池来驱动，而电池的使用会产生一系列的问题。例如， 当电池电量用完而没有被及时地更换会导致电子器件不能工作，电池的更换也会产生费用 和环境污染问题。
[0003] 为了使衣服除了作为日常穿戴物品之外，还能为上述电子产品同时提供功率输出 和临时充电的功能，现有技术已经提出了一些解决方案。例如，CN101136551A中公开了一 种发电系统，其中通过在衣服或背包表面上安装多个纳米发电机模块，由此可通过纳米线 的压电效应执行发电并输送至用电模块。此外，CN103368454A中公开了一种摩擦电纳米发 电衣服，该衣服从外向内按照外层布料、外层材料、内层材料和内层布料的顺序依次层叠， 由此通过内层材料与外层材料之间的摩擦来产生电信号输出。
[0004] 然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍然存在以下的缺陷或不足：首先，其实 现方式仍然为在衣物中直接附加发电模块，并未对编织方式及相应的发电效应作出进一步 的优化设计，相应导致发电效率和操作性方面存在不足；其次，现有的发电衣服在柔韧性、 透气性和复合性方面不是很理想，同样会导致适用性、发电效率和安全性方面的不足。因 此，在相关领域中有必要寻找更为完善的解决方案，以便在克服现有技术的以上缺陷的同 时，更好地适用于各类可穿戴式电子产品的供电及临时充电等用途。 实用新型内容
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种兼备柔性发电功能 的衣服及其制造方式，其中通过对柔性发电元件的内部构造尤其是结合衣服编织方式进行 研究改进，与现有技术相比能够提供更大的功率输出，同时具备结构紧凑、便于加工制造、 高柔性和高复合性等特点。
[0006] 为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种兼备柔性发电功能的 衣服，其特征在于，该衣服包括由纺织线编织而成的网状框架结构，以及通过并联方式组 装在此网状框架结构中的多个发电纤维组，各个发电纤维组由第一组件和第二组件共同组 成，其中：
[0007] 所述第一组件由纺织线和第一导电层共同组成，其中第一导电层的材质选自碳纳 米管、金、银、铜或铝，其均匀包裹在纺织线的整个表面上，并且第一组件的一个末端加工有 作为负极的第一电极；
[0008] 所述第二组件由纺织线、第二导电层和高分子绝缘层共同组成，其中第二导电层 的材质选自碳纳米管、金、银、铜或铝，其均匀包裹在纺织线的整个表面上；高分子绝缘层包 裹在第二导电层的表面上，并且留下第二导电层的一个末端不予包裹，由此在此位置加工 有作为正极的第二电极；
[0009] 所述第一、第二组件相互缠绕成双螺旋结构，并且第一组件上加工有第一电极的 末端与第二组件上未加工有电极的末端相固定，第二组件上加工有第二电极的末端与第一 组件上未加工固有电极的末端相固定。
[0010] 按照本实用新型的另一方面，提供了一种兼备柔性发电功能的衣服，其特征在于， 该衣服包括由纺织线编织而成的网状框架结构，以及通过并联方式组装在此网状框架结构 中的多个发电纤维，其中：
[0011] 各个发电纤维由纺织线、导电层和高分子绝缘层共同组成，其中导电层的材质选 自碳纳米管、金、银、铜或铝，其均匀包裹在纺织线的整个表面上；高分子绝缘层的材质选自 聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙 烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯这些材料中的一种， 其包裹在导电层的表面上，并留下导电层的一个末端不予包裹且在此位置加工有电极。
[0012] 作为进一步优选地，所述网状框架结构、第一组件和第二组件中的纺织线优选选 自于以下材料中的任意一种：棉线，蚕丝线，羊毛线，以及以尼龙为代表的化学纤维线。
[0013] 作为进一步优选地，所述第二组件中的高分子绝缘层的材质选自聚四氟乙烯、聚 乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟 乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯这些材料中的一种。
[0014] 作为进一步优选地，所述高分子绝缘层与第二导电层相接触的表面上还加工有多 个微纳米的凹凸结构，由此进一步增加其表面积并提高其吸附电荷的能力。
[0015] 作为进一步优选地，所述凹凸结构的平均尺寸为100纳米?400纳米。
[0016] 总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以 下的技术优点：
[0017] 1、通过对柔性发电元件的内部构造尤其是结合衣服编织方式进行研究改进，能够 使衣服在拥有穿着功能的同时，能够将人体产生的动能转换成电能并加以利用，由此在符 合当前节能环保的要求同时又十分新颖时尚；
[0018] 2、通过对该发电衣服各个关键组件的材质、具体结构、加工工艺的限定，与现有技 术相比能够显著提高能量输出效率，同时具备性能稳定、工作寿命长、低成本、便于大批量 加工制造等特点；
[0019] 3、该发电衣服整体采用柔性材料制成，可以折叠弯曲，便于操作，与普通纺织物的 组合方式也可以多种多样，同时具备结构紧凑、便于加工制造、高柔性和高复合性等特点， 因而拥有广泛的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图la是按照本实用新型第一实施例所构建的发电纤维组的第一组件的横截面示 意图；
[0021] 图lb是按照本实用新型第一实施例所构建的发电纤维组的第二组件的横截面示 意图；
[0022] 图2是驱动第一实施例的发电衣服所获得的电流信号示意图；
[0023] 图3是对按照第一实施例的发电衣服进行测试，用于对一个2. 2微法的电容进行 充电时所获得的充电曲线图；
[0024] 图4是驱动本实用新型第二实施例的发电衣服所获得的电流信号示意图。
[0025] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0026] 1-第一组件2-第二组件11-纺织线12-第一导电层21-纺织线22-第二导电层 23-高分子绝缘层
【具体实施方式】
[0027] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所 涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0028] 图la、lb是按照本实用新型第一优选实施例所构建的发电纤维组的横截面示意 图。如图1中所示，该衣服主要衣服本体、第一组件1和第二组件2。其中，衣服本体为由纺 织线编织而成的网状框架结构，并可根据衣服穿戴者的身高、胖瘦等参数在编织时进行调 整。第一组件1由普通纺织线11 (譬如棉线，蚕丝线，羊毛线，以及以尼龙为代表的化学纤 维线这些材料中的一种）和包覆在11上的第一导电层12 (譬如组成碳纳米管，金、银、铜、 铝）组成，并在第一组件的一端边缘构建第一电极。
[0029] 类似地，第二组件2由普通纺织线21，包覆在21表面的第二导电层22与包覆在 22表面的高分子绝缘层23 (譬如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共 聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二 甲酸乙二酯这些材料中的一种）组成，需要注意地是要留余一端边缘不进行包覆高分子绝 缘层用于加工制备第二电极。
[0030] 所述第一、第二组件相互缠绕成双螺旋结构，并且第一组件上加工有第一电极的 末端与第二组件上未加工有电极的末端相固定，第二组件上加工有第二电极的末端与第一 组件上未加工固有电极的末端相固定，以此方式形成单个的发电纤维组。
[0031] 最后，多个发电纤维组通过并联方式组装在衣服本体中并形成最终的衣服。在使 用时，当抖动或按压衣服时，发电纤维组中的第一、第二组件的相对位置发生变化使得电容 也随着变化，使得其中发电纤维组中的第一组件和第二组件的相对位置发生变化，在它们 相对位置发生变化的过程中，电容也会随着发生变化，并导致电子在电极两端的外部电路 中来回振荡，进而形成为交流电流。尤其是，如图2和3中所示，通过较多的试验测试表明， 当抖动由8个发电纤维组构成的发电衣服时可以产生超过1.8微安的电流，可以将一个2. 2 微法的商用电容在短时间内充电到2. 5伏特并点亮一个商用LED。此实验证明，此发电衣服 可以产生足够的电量为低功耗的个人电子产品进行供能。此外，该发电衣服整体采用柔性 材料制成，柔软舒适，复合性强，便于加工制作，发电稳定性好，因而具有十分大的应用潜能 与实用价值。
[0032] 此外，本实用新型还提供了第二实施例，它在第一实施例的基础上可以进一步进 行结构简化。该第二实施例所构建的衣服主要包括由纺织线编织而成的网状框架结构(衣 服本体)，以及通过并联方式组装在此网状框架结构中的多个发电纤维。其中各个发电纤 维由纺织线、导电层和高分子绝缘层共同组成，其中导电层的材质选自碳纳米管、金、银、铜 或铝，其均匀包裹在纺织线的整个表面上；高分子绝缘层的材质选自聚四氟乙烯、聚乙烯、 聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三 氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯这些材料中的一种，其包裹在导电层的表面 上，并且留下导电层的一个末端不予包裹，由此在此位置加工有电极；以此方式，当使用该 种发电衣服时，通过人体运动使得发电衣服与人体之间的相对距离发生变化。此时人体相 当于一个对电极，人体与发电衣服之间距离的变化会导致两者之间的电容发生变化进而产 生交流电流。如图4中所示，通过较多的试验测试表明，当使用由10根以上的发电纤维组 成的发电衣服时，同样可以产生超过1微安的电流。
[0033] 下面将进一步解释按照本实用新型一种发电衣服的基本工作原理。
[0034] 在不考虑边缘效应下，本实用新型一种发电衣服近似等效于平行平板电容。根据 麦克斯韦方程组相关公式推导，在平衡时有以下的公式1 :
[0035]
【权利要求】
1. 一种兼备柔性发电功能的衣服，其特征在于，该衣服包括由纺织线编织而成的网状 框架结构，以及通过并联方式组装在此网状框架结构中的多个发电纤维组，各个发电纤维 组由第一组件和第二组件共同组成，其中： 所述第一组件由纺织线和第一导电层共同组成，其中第一导电层的材质选自碳纳米 管、金、银、铜或铝，其均匀包裹在纺织线的整个表面上，并且第一组件的一个末端加工有作 为负极的第一电极； 所述第二组件由纺织线、第二导电层和高分子绝缘层共同组成，其中第二导电层的材 质选自碳纳米管、金、银、铜或铝，其均匀包裹在纺织线的整个表面上；高分子绝缘层包裹在 第二导电层的表面上，并且留下第二导电层的一个末端不予包裹，由此在此位置加工有作 为正极的第二电极； 所述第一、第二组件相互缠绕成双螺旋结构，并且第一组件上加工有第一电极的末端 与第二组件上未加工有电极的末端相固定，第二组件上加工有第二电极的末端与第一组件 上未加工固有电极的末端相固定。
2. -种兼备柔性发电功能的衣服，其特征在于，该衣服包括由纺织线编织而成的网状 框架结构，以及通过并联方式组装在此网状框架结构中的多个发电纤维，其中： 各个发电纤维由纺织线、导电层和高分子绝缘层共同组成，其中导电层的材质选自碳 纳米管、金、银、铜或铝，其均匀包裹在纺织线的整个表面上；高分子绝缘层的材质选自聚四 氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共 聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯这些材料中的一种，其包 裹在导电层的表面上，并留下导电层的一个末端不予包裹且在此位置加工有电极。
【文档编号】A41H43/00GK203841169SQ201420136188
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】周军, 钟俊文, 钟其泽, 胡琦旖 申请人:华中科技大学