一种可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物及其制备方法

本发明涉及发电织物技术领域，特别是涉及一种可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物及其制备方法。

背景技术：

随着智能时代的到来，传统的电池供电方式已经不能满足多功能可穿戴柔性商业电子产品正常运行所需要的持久性、可靠性供电需求。得益于微纳电子技术的飞速发展，充分利用环境能源(如太阳能、热能、电磁能和机械能等)并将其转换为电能是目前突破传统电源供电的最佳解决方案之一。考虑到人体运动机械能的持续性和可再生性，从人体运动行为中获取机械能已成为实现为便携式电子设备供电的优选方法。在多种基于人体动能能源转换技术中，柔性摩擦纳米发电机由于具有易制造性、灵活性和材料广泛性，广泛的应用于柔性能源供给系统中。

目前，大多数柔性摩擦纳米发电机采用条带状或纤维状的能源转换材料进行编织成发电织物。然而，大多数的条带状或纤维状的能源转换材料不具有拉伸性能，限制了其在人体运动过程中的机械能转换为电能的应用范围。为了实现摩擦纳米发电织物与人的身体共形装配，开发出了具有舒适性的可拉伸摩擦纳米发电织物。但是，具有可拉伸特性的摩擦纳米发电织物的输出功率是较低的，不能满足实时的为可穿戴商业电子产品提供电能。因此，提出一种兼具可拉伸和高输出性能的摩擦纳米发电织物来收集人体运动机械能是十分必要的，具有广阔的发展前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物。

本发明的另一目的是提供了该可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物的制备方法。

本发明的可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物包含横向拱形阵列纤维条a和纵向纤维条b，利用传统横竖编织方式来实现。所述横向拱形阵列纤维条a包含有第一导电层，支撑层和第二导电层；所述纵向纤维条b包含有第一聚合物层，可拉伸导电层和第二聚合物层；所述第一聚合物层和第二聚合物层均为表面带有微结构的聚合物层。

优选地，所述第一导电层和第二导电层为表面电镀金属的聚酯纤维布，且其表面带有纹路，以增加摩擦电极材料的粗糙性。

优选地，所述第一聚合物层和第二聚合物层中的微结构为聚合物材料表面间隔设置的若干突棱，通过所述突棱来增加聚合物摩擦材料的粗糙性，摩擦材料的粗糙性越大，在摩擦过程中的实际接触面积越大，产生的电能输出功率越大。

本发明可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物的制备方法，包括以下步骤：

(1)支撑层的制备

支撑层的作用是使横向拱形阵列纤维条a的结构为拱形阵列状态，通过在50℃-60℃温度，压力值＞10mpa条件下，在模具内形成稳定的拱形阵列支撑结构，支撑层的材料可以为0.2mm-1mm厚度的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚乙烯(pe)、聚氯乙烯(pvc)。

(2)横向拱形阵列纤维条a：第一导电层-支撑层-第二导电层的制备

在聚酯纤维布上电镀金属，形成外观上带有纹路的第一导电层和第二导电层。将第一导电层和第二导电层粘贴到支撑层上，形成横向拱形阵列纤维条a。

(3)可拉伸导电层的制备

将质量比为100：2混炼胶与铂金固化剂在开放式混炼机上搅拌1h-2h；将质量分数为60％-90％，颗粒直径为500nm-50μm金属粉加入到开放式混炼机中搅拌1h-2h；将混合好的复合物放置在模具中，在160℃-200℃温度、20mpa-40mpa压力下硫化20min～30min形成可拉伸导电层。

(4)纵向纤维条b：第一聚合物层-可拉伸导电层-第二聚合物层的制备

在带有微结构的亚克力模具a和带有微结构的亚克力模具b上分别刮涂上质量比为1∶1的硅胶与聚硅氧烷固化剂，放在室温条件下干燥1-2h后处于半硫化状态的硅胶a和硅胶b，将步骤(3)制备的可拉伸导电层放置在硅胶a和硅胶b的中间，在80℃-100℃的干燥箱内硫化1h-2h后，将形成的纵向纤维条b从带有微结构的亚克力模具a和带有微结构的亚克力模具b上剥离下来。

利用所述横向拱形阵列纤维条a和所述纵向纤维条b采用传统横竖编织方式获得发电织物。

优选地，所述金属粉为银粉、铜粉、银铜粉、镀银玻璃粉中的一种。

优选地，所述聚酯纤维布的纹路为平纹或网格，通过纹路增加摩擦电极材料的粗糙性，提升在摩擦过程中的实际接触面积。

优选地，所述带有微结构的亚克力模具a和带有微结构的亚克力模具b的微结构为长度为1cm，宽度为0.5mm的条状凹槽，使得聚合物材料表面形成带有若干突棱的微结构，所述条状凹槽的间隔为0.5mm，5个为一组。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的一种可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物的横向拱形阵列纤维条a通过拱形阵列结构来实现拉伸量，纵向纤维条b中带有微结构的第一聚合物层和第二聚合物层、可拉伸导电层均具有优良的拉伸性能，因此，该发电织物能够收集人体多自由度的拉伸运动机械能，为可穿戴式电子设备的运行提供电能。

(2)本发明提出的一种可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物在收集人体运动机械能时会出现拉伸-释放和接触-分离两种工作机制，因此，该摩擦纳米发电织物实现了兼具可拉伸性和高电能输出性。

(3)本发明的横向拱形阵列纤维条a中的第一导电层和第二导电层是通过在聚酯纤维布表面电镀金属来实现的，利用聚酯纤维布的纹路增加摩擦电极材料的粗糙性。纵向纤维条b中带有微结构第一聚合物层和第二聚合物层也是通过微结构来增加聚合物摩擦材料的粗糙性。摩擦材料的粗糙性越大，在摩擦过程中的实际接触面积越大，产生的电能输出功率越大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物的结构示意图；

图2为本发明制备的横向拱形阵列纤维条a和纵向纤维条b的结构示意图；

附图序号说明：1为横向拱形阵列纤维条a，2为纵向纤维条b，3为第一聚合物层，4为可拉伸导电层，5为第二聚合物层，6为第一导电层，7为支撑层，8为第二导电层；

图3为本发明的第一导电层扫描电子显微镜图；

图4为本发明第一聚合物层扫描电子显微镜图；

图5为本发明的可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物的拉伸-释放工作机制示意图；

图6为本发明的可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物的接触-分离工作机制示意图；

图7为本发明的发电织物在拉伸-释放横向拱形阵列纤维条a时产生的电流；

图8为本发明的发电织物在压力为100n，频率为3hz的周期性拍打作用下产生的输出电压(a)和输出电流(b)；

图9为具有横向拱形阵列纤维条a与纵向不带有微结构纤维条的发电织物，拉伸-释放横向拱形阵列纤维条a时产生的输出电压(a)和输出电流(b)；

图10为具有横向拱形阵列纤维条a与纵向不带有微结构纤维条的发电织物，在压力为100n，频率为3hz的周期性拍打作用下产生的输出电压(a)和输出电流(b)；

图11为具有横向不带有拱形阵列纤维条与纵向不带有微结构纤维条的发电织物，在压力为100n，频率为3hz的周期性拍打作用下产生的输出电压(a)和输出电流(b)。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。

可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物，其结构示意图如图1所述，包含横向拱形阵列纤维条a和纵向纤维条b，利用传统横竖编织方式来实现。所述的横向拱形阵列纤维条a包含有第一导电层，支撑层，第二导电层；纵向纤维条b包含有带有微结构的第一聚合物层，可拉伸导电层，带有微结构的第二聚合物层，其结构示意图如图2所示。

该可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物的制备方法包括以下步骤：

(1)选用0.3mm厚度的pet材料作为支撑层材料，将其放置在50℃温度，压力值20mpa条件下的拱形阵列模具内形成稳定的拱形阵列支撑结构；之后，在聚酯纤维布上电镀镍金属，形成外观上有网格纹路的第一导电层和第二导电层，其第一导电层扫描电子显微镜图如图3所示；将第一导电层和第二导电层粘贴到支撑层上，形成横向拱形阵列纤维条a。

(2)将质量比为100∶2混炼胶与铂金固化剂在开放式混炼机上搅拌1h；之后将颗粒直径为10μm的银铜粉加入到开放式混炼机中搅拌2h，将混合好的复合物放置在宽度为1cm的模具中，在温度值为170℃、压力值为30mpa条件下硫化20min形成可拉伸导电层。

(3)在亚克力基板上制备带有长度为1cm，宽度为0.5mm的条状凹槽，间隔为0.5mm，5个为一组的微结构，形成带有微结构的亚克力模具a和带有微结构的亚克力模具b；之后在有微结构的亚克力模具a和带有微结构的亚克力模具b上分别刮涂上质量比为1∶1的硅胶与聚硅氧烷固化剂，放在室温条件下干燥2h后处于半硫化状态的硅胶a和硅胶b，并将制备完成的可拉伸导电层放置硅胶a和硅胶b的中间，放置在80℃的干燥箱内硫化1.5h后，将形成的纵向纤维条b从带有微结构的亚克力模具a和带有微结构的亚克力模具b上剥离下来，带有微结构的第一聚合物层扫描电子显微镜图如图4所示。

制备的可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物在收集人体运动机械能时包含拉伸-释放和接触-分离两种工作机制。图5为一个拉伸-释放工作周期示意图，可以看出，横向拱形阵列纤维条a在完全拉伸状态下，由于摩擦起电效应，第一导电层/第二导电层上带有的正电荷数量与带有微结构的第一聚合物层/带有微结构的第二聚合物层上带有的负电荷数量相等；释放横向拱形阵列纤维条a，由于静电感应，有电子从可拉伸导电层流向第一导电层/第二导电层；当横向拱形阵列纤维条a完全释放时，该摩擦发电织物处于平衡状态；当横向拱形阵列纤维条a处于拉伸过程时，有电子从第一导电层/第二导电层流向可拉伸导电层。

图6为一个接触-分离工作周期示意图，可以看出，第一导电层/第二导电层与带有微结构的第一聚合物层/带有微结构的第二聚合物层完全接触时，由于摩擦起电效应，会产生等量的异性电荷；横向拱形阵列纤维条a与纵向纤维条b分离过程中，由于静电感应，有电子从可拉伸导电层流向第一导电层/第二导电层；处于完全分离状态时，该摩擦发电织物处于平衡状态；当横向拱形阵列纤维条a与纵向纤维条b处于接触过程时，有电子从第一导电层/第二导电层流向可拉伸导电层。

将制备的可拉伸的拱形阵列摩擦纳米发电织物进行电学性能测试，图7为本发明的发电织物，其面积为5cm*5cm，在拉伸-释放横向拱形阵列纤维条a时，发电织物产生的电流。图8为本发明的发电织物，其面积为5cm*5cm，在压力为100n，频率为3hz的周期性拍打作用下发电织物在接触-分离工作机制下产生的输出电压和输出电流。可以明显看出，本发明的发电织物在接触-分离工作机制下远远高于在拉伸-释放工作机制下产生的电输出性能，本发明的实现既满足了对发电织物可拉伸性能的需求，同时具有高的输出电能。

为了进一步说明拱形阵列结构和带有微结构的聚合物对摩擦纳米发电织物输出电性能的影响，进行了对比测试，图9为将横向拱形阵列纤维条a与纵向不带有微结构纤维条进行横竖编织所形成的发电织物，其面积为5cm*5cm，在拉伸-释放横向拱形阵列纤维条a时，发电织物产生的输出电压和输出电流。图10为将横向拱形阵列纤维条a与纵向不带有微结构纤维条进行横竖编织所形成的发电织物，其面积为5cm*5cm，在压力为100n，频率为3hz的周期性拍打作用下发电织物在接触-分离工作机制下产生的输出电压和输出电流。图11为将横向不带有拱形阵列纤维条与纵向不带有微结构纤维条进行横竖编织所形成的发电织物，其面积为5cm*5cm，在压力为100n，频率为3hz的周期性拍打作用下发电织物在接触-分离工作机制下产生的输出电压和输出电流。可以明显看出，在拉伸-释放工作机制下纵向纤维条b中的带有微结构的第一聚合物层和第二聚合物层增加了摩擦发电织物了输出电性能；在接触-分离工作机制下横向拱形阵列纤维条a中的第一导电层和第二导电层和纵向纤维条b中的带有微结构的第一聚合物层和第二聚合物层对于摩擦发电织物的输出电性能的提升都有很显著的帮助。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。