一种多功能生物力学能量收集纺织品及其制备方法和应用与流程

本发明属于可穿戴能源及其制备和应用领域，特别涉及一种多功能生物力学能量收集纺织品及其制备方法和应用。

背景技术：

可穿戴电子产品的快速发展正在引起人类社会生活的变革，人们对可穿戴能源的需求日益增加。然而，传统的可充电电池由于其容量有限、柔韧性差、可拉伸性差以及生物相容性差而难以满足可穿戴电子设备在轻质性、灵活性和集成性等方面的要求。因此，可持续和自供电系统的开发对于可穿戴电子设备而言是非常重要的。生物力学能量是人类每天可以产生的最常见和最丰富的机械能之一，从人体运动中收集浪费的生物力学能量有助于解决可穿戴电子设备在能源方面需求。

可穿戴电子产品的最终目标之一是与纺织品和服装相结合，使电子设备具有织物的优点，如柔软、透气性、舒适性、安全性和可持续性。摩擦纳米发电技术的出现为实现可穿戴电子产品和织物的结合提供了一种高度可行、经济实用的方法。然而，现有的用于收集生物力学能量的摩擦电设备的输出性能依然有待提升，如利用聚酰亚胺和铜作为摩擦材料的摩擦纳米发电纺织品(adv.mater.2016,28,10267–10274)和利用不同机械能的混合纳米发电机(acsnano2014,8,10674–10681)。为了实现可持续和自供电的应用，必须开发大面积可穿戴能量收集设备，以从人体运动中提取能量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能生物力学能量收集纺织品及其制备方法和应用，以克服现有技术中用于收集生物力学能量的摩擦电设备缺乏的缺陷。

本发明的一种多功能生物力学能量收集纺织品的制备方法，包括：

(1)将改性的聚丙烯腈纱线与导电纱线合股、加捻得到初级螺旋纱线，再将两根初级螺旋纱线合股、加捻得到多级螺旋纱线；

(2)将导电纱线插入橡胶管中，拉伸橡胶管，利用橡胶管与导电纱线之间的摩擦力以及橡胶管两端的压缩力，使得导电纱线在橡胶管内呈现蛇形结构，然后密封橡胶管两端，得到摩擦电纱线；

(3)以步骤(1)中多级螺旋纱线作为经纱，步骤(2)中摩擦电纱线作为纬纱，进行平纹编织，得到多功能生物力学能量收集纺织品。

所述步骤(1)中改性的聚丙烯腈纱线表面能较低，疏水性较好。

所述步骤(1)中初级螺旋纱线的捻度为400-800捻/m；多级螺旋纱线的捻度为300-600捻/m。

所述步骤(1)中两次加捻的方向相反。

所述步骤(2)中密封橡胶管两端是使用双组分环氧树脂胶。

所述步骤(2)中导电纱线作为摩擦正极材料和电极材料，橡胶管作为摩擦负极材料和疏水材料，蛇形结构使得摩擦电纱线具有优异的拉伸性能。

所述步骤(3)中平纹编织为：采用编织机进行平纹编织，首先，调整综框的位置，并在书写板屏幕上设置参数；然后，使用导纱棒将翘曲后的多级螺旋纱线固定在综框的后部；最后，在多级螺旋纱线上交织地编入摩擦电纱线，并在编织过程中通过后梁调节经纱和纬纱的张力。

所述编织机的工作气压为0.4-0.6mpa，每分钟的拣选量为50-70次。

所述步骤(3)中摩擦电纱线的屈曲波高等于零，多级螺旋纱线的屈曲波高等于摩擦电纱线与多级螺旋纱线的直径之和。

所述步骤(3)中多功能生物力学能量收集纺织品的发电方式有两种，一是利用经纱与纬纱的接触分离而产生电能，二是利用摩擦电纱线内部的导电纱线与橡胶管的接触分离而产生电能。

所述步骤(3)中多功能生物力学能量收集纺织品有拉伸和压缩两种工作模式，每种工作模式均包括以下四种电路连接模式：经连接单电极模式，纬连接单电极模式，经纬连接单电极模式和双电极模式。

本发明提供一种上述方法制备的多功能生物力学能量收集纺织品。

本发明还提供一种上述方法制备的多功能生物力学能量收集纺织品的应用。例如，为电子设备供电，或者可以作为自供电无线监测系统的能源与传感器。

本发明依托纺织设备，对多级螺旋纱线和摩擦电纱线进行了连续化编织，实现了纺织品与能源器件的一体化设计。

有益效果

(1)本发明制作工艺简单，所用材料均为廉价易得的商业原材料；

(2)本发明制备得到的能量收集纺织品具有优异的拉伸性能，可以满足人体的大幅度变形；

(3)本发明制备得到的能量收集纺织品具有优异的疏水性能；

(4)本发明制备得到的能量收集纺织品可以为电子设备供电，也可以作为自供电无线监测系统的能源与传感器。

附图说明

图1为本发明能量收集纺织品的制备流程图；

图2为实施例1中橡胶管的水接触角照片；

图3为实施例1中改性聚丙烯腈纱线的光学照片(a)和水接触角照片(b)；

图4为实施例1中能量收集纺织品拉伸前后的照片；

图5为实施例1中能量收集纺织品的两种工作模式(i-iii)和四种电路连接模式(a-d)；

图6为实施例1中在经纬连接单电极模式下，能量收集纺织品在拉伸期间的运行机理图；

图7为实施例1中能量收集纺织品为电子手表供电的照片；

图8为实施例1中能量收集纺织品用于无线监测系统的示意图；

图9为实施例1中在经纬连接单电极模式下，能量收集纺织品在拉伸期间的输出电压；

图10为实施例2中在经纬连接单电极模式下，能量收集纺织品在拉伸期间的输出电压；

图11为实施例3中在经纬连接单电极模式下，能量收集纺织品在拉伸期间的输出电压。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)将氟硅烷接枝改性的聚丙烯腈纱线与导电纱线合股、加捻得到800捻/m的初级螺旋纱线，再将两根初级螺旋纱线合股、加捻得到600捻/m的多级螺旋纱线，两次加捻的方向相反。

(2)将导电纱线插入橡胶管中，拉伸橡胶管，利用橡胶管与导电纱线之间的摩擦力以及橡胶管两端的压缩力，使得导电纱线在橡胶管内呈现蛇形结构，然后使用双组分环氧树脂胶密封橡胶管两端，得到摩擦电纱线。

(3)以步骤(1)中多级螺旋纱线作为经纱，步骤(2)中摩擦电纱线作为纬纱，使用编织机进行平纹编织。首先，调整综框的位置，并在书写板屏幕上设置参数，工作气压设置为0.6mpa，每分钟的拣选量设置为70次；然后，使用导纱棒将翘曲后的多级螺旋纱线固定在综框的后部；最后，在多级螺旋纱线上交织地编入摩擦电纱线，并在编织过程中通过后梁调节经纱和纬纱的张力，从而得到能量收集纺织品。

图2表明：橡胶管具有较好的疏水性。

图3表明：改性聚丙烯腈纱线具有较好的疏水性。

图4表明：能量收集纺织品有良好的拉伸性能。

图6表明：初始状态各摩擦层接触良好，电子从摩擦正极材料向摩擦负极材料表面转移；拉伸状态下摩擦层开始分离，在电极上产生正电荷陷阱，电子从大地经外电路流向电极；回缩状态下摩擦层再次接触，电极上多余的电子流回大地。

图8表明：能量收集纺织品既作为能源给锂电池充电，也作为传感器监测人体运动。

图9表明：多级螺旋纱线的捻度较大时，纱线结合紧密，能源收集纺织品的输出性能较高。

实施例2

将实施例1步骤(1)中“得到800捻/m的初级螺旋纱线”改为“得到600捻/m的初级螺旋纱线”，“得到600捻/m的多级螺旋纱线”改为“得到450捻/m的多级螺旋纱线”，将步骤(2)中“工作气压设置为0.6mpa，每分钟的拣选量设置为70次”改为“工作气压设置为0.5mpa，每分钟的拣选量设置为60次”，其余均与实施例1相同，得到能量收集纺织品。

图10表明：多级螺旋纱线的捻度减小，能源收集纺织品的输出性能降低。

实施例3

将实施例1步骤(1)中“得到800捻/m的初级螺旋纱线”改为“得到400捻/m的初级螺旋纱线，“得到600捻/m的多级螺旋纱线”改为“得到300捻/m的多级螺旋纱线”，将步骤(2)中“工作气压设置为0.6mpa，每分钟的拣选量设置为70次”改为“工作气压设置为0.4mpa，每分钟的拣选量设置为50次，其余均与实施例1相同，得到能量收集纺织品。

图11表明：随着多级螺旋纱线的捻度减小，纱线结合变得松弛，能源收集纺织品的输出性能降低。

对比例1

北京大学的研究人员在涤纶纱线上分别沉积铜和聚酰亚胺得到摩擦正极材料和摩擦负极材料，以摩擦正极材料作为经纱，摩擦负极材料作为纬纱，编织得到摩擦纳米发电纺织品(adv.mater.2016,28,10267–10274)。由于该摩擦纳米发电纺织品的分离距离较小以及纱线结合不紧密，导致它的最大输出电压仅为5伏，这远小于本发明中能量收集纺织品接近20伏的输出电压。此外，与本发明相比，该摩擦纳米发电纺织品的拉伸性能较差，几乎难以拉伸。