CN106948065A - 具有发电功能的织物结构 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种具有发电功能的织物结构，涉及压电智能织物领域。该织物结构包括：第一连接纱线电极（1）、压电纱线（2）、普通纱线（3）、第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）和第二连接纱线电极（6）；压电纱线（2）位于第一导电纱线电极（4）与第二导电纱线电极（5）之间，第一导电纱线电极（4）与第一连接纱线电极（1）连接，第二导电纱线电极（5）与第二连接纱线电极（6）连接；第一导电纱线电极（4）和第二导电纱线电极（5）彼此相互绝缘，分别用于收集压电纱线（2）发生形变时产生的异种电荷。该织物结构可收集织物中压电纱线（2）受外力发生形变产生的电荷发电，且具有良好的服用机械性能和服用舒适性。

Description

具有发电功能的织物结构
技术领域
本发明涉及压电智能织物领域，具体涉及一种具有发电功能的织物结构。
背景技术
智能织物是通过跨学科和交互领域来研发而成的纺织品及成衣制品，需通过整合传感、驱动、电子、能量等因素对纺织结构进行创新。由于智能织物具有功能多、穿着轻巧舒适的特点，被视为高生活品质的促进者和生物医学发展的推进者。
压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能。压电智能织物，具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，可作为穿戴传感器、能量收集器及致动器来使用。
目前的发明专利中，已授权的发明专利CN101479582 B公开了一种纺织物的力学传感器，用于检测纺织物的扭曲和/或张力和/或压力，其采用信号转换器来感测和转换信号。已公开的发明专利CN102110772 A将金属芯的压电陶瓷纤维固定在柔性电路板上，得到压电陶瓷纤维智能夹层。已公开的发明专利CN102790549 A在织物的外表面附有振动能量采集材料，采集环境振动或物体运动所产生的能量，并对外接电子产品供电。
然而，现有压电材料在应用至智能织物时，往往无法满足纺织物所需的透气性和透湿性，从而导致智能织物不具备服用机械性能和服用舒适性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种具有发电功能的织物结构。所述技术方案如下：
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种具有发电功能的织物结构，所述织物结构包括：第一连接纱线电极（1）、压电纱线（2）、普通纱线（3）、第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）和第二连接纱线电极（6）；
所述压电纱线（2）位于所述第一导电纱线电极（4）与所述第二导电纱线电极（5）之间，且在所述织物结构中，所述压电纱线（2）分别与所述第一导电纱线电极（4）、所述第二导电纱线电极（5）呈垂直分布，所述压电纱线（2）分别与所述普通纱线（3）、所述第一连接纱线电极（1）、所述第二连接纱线电极（6）呈平行分布；
所述第一导电纱线电极（4）与所述第一连接纱线电极（1）连接，所述第二导电纱线电极（5）与所述第二连接纱线电极（6）连接；
所述第一导电纱线电极（4）和所述第二导电纱线电极（5）彼此相互绝缘，分别用于收集所述压电纱线（2）发生形变时产生的异种电荷。
在一个优选的实施例中，所述压电纱线（2）由压电有机聚合物、压电无机物或有机/无机复合物中的至少一种制成。
在一个优选的实施例中，所述压电有机聚合物包括聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯三氟乙烯、聚酰胺、聚乙烯中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述压电纱线（2）在用于制备所述织物结构前经过机械拉伸、热处理或电场极化处理，以增强所述压电纱线（2）的压电性能。
在一个优选的实施例中，所述压电无机物包含锆钛酸铅及钛酸钡中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述压电纱线（2）包括长丝无捻纱、长丝有捻纱、短纤维有捻纱中的至少一种，所述第一导电纱线电极（4）和所述第二导电纱线电极（5）中的纱线包括碳纳米管纱线、石墨烯纱线、涂银有机聚合物纱线或金属丝纱线中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述织物结构包括针织物结构、机织物结构、非织造物结构或上述三种结构的复合。
在一个优选的实施例中，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）以及所述压电纱线（2）夹在两层绝缘织物之间，所述两层绝缘织物的材料包括聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇及聚酰胺中的至少一种，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）以及所述压电纱线（2）夹在两层绝缘织物之间所采用的工艺包括针织缝编及粘合工艺。
在一个优选的实施例中，所述织物结构在织成后还通过机械拉伸、热处理或电场极化处理以增强其压电性能。
在一个优选的实施例中，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）分别由导电纱线相连，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）由导电纱线相连的工艺包括纱线编结、纱线之间焊接工艺。
与现有技术相比，本发明提供的具有发电功能的织物结构具有以下优点：
本发明提供的具有发电功能的织物结构通过压电纱线（2）位于第一导电纱线电极（4）与第二导电纱线电极（5）之间，且在织物结构中，压电纱线（2）分别与第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）呈垂直分布，压电纱线（2）分别与普通纱线（3）、第一连接纱线电极（1）、第二连接纱线电极（6）呈平行分布；第一导电纱线电极（4）与第一连接纱线电极（1）连接，第二导电纱线电极（5）与第二连接纱线电极（6）连接；第一导电纱线电极（4）和第二导电纱线电极（5）彼此相互绝缘，分别用于收集压电纱线（2）发生形变时产生的异种电荷，使得压电纱线（2）受外力作用产生形变时，压电纱线（2）两侧生成的异种电荷分别被第一导电纱线电极（4）和第二导电纱线电极（5）收集，从而将压电纱线（2）上的机械能转化为电能，该织物结构全部用纱线构成，具有良好的服用机械性能如拉伸、压缩、回弹和弯曲等；也具有良好的服用性能如透气性和透湿性等，可用于制备服装、地毯、鞋垫、床上用品或运动器材，也可收集穿用者物理活动导致织物的机械变形并转化为电能进行供电，或用于智能健康监测器等用途。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种具有发电功能的织物结构的示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种压电纱线与第一导电纱线电极、第二导电纱线电极的截面示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种静电纺PVDF-TrFE纳米纤维双股线在织物结构中的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例（但不限于所举实施例)与附图详细描述本发明，本实施例的具体方法仅供说明本发明，本发明的范围不受实施例的限制，本发明在应用中可以作各种形态与结构的修改与变动，这些基于本发明基础上的等价形式同样处于本发明申请权利要求保护范围。
图1是根据一示例性实施例示出的一种具有发电功能的织物结构的示意图，如图1所示，该具有发电功能的织物结构包括：第一连接纱线电极（1）、压电纱线（2）、普通纱线（3）、第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）和第二连接纱线电极（6）；所述压电纱线（2）位于所述第一导电纱线电极（4）与所述第二导电纱线电极（5）之间，且在所述织物结构中，所述压电纱线（2）分别与所述第一导电纱线电极（4）、所述第二导电纱线电极（5）呈垂直分布，所述压电纱线（2）分别与所述普通纱线（3）、所述第一连接纱线电极（1）、所述第二连接纱线电极（6）呈平行分布；所述第一导电纱线电极（4）与所述第一连接纱线电极（1）连接，所述第二导电纱线电极（5）与所述第二连接纱线电极（6）连接；所述第一导电纱线电极（4）和所述第二导电纱线电极（5）彼此相互绝缘，分别用于收集所述压电纱线（2）发生形变时产生的异种电荷。
需要说明的是，为了更好地对具有发电功能的织物结构中压电纱线（2）与所述第一导电纱线电极（4）、所述第二导电纱线电极（5）之间的分布方式进行说明，还示出了如图2所示的压电纱线与第一导电纱线电极、第二导电纱线电极的截面示意图，包括压电纱线（2）、普通纱线（3）、第一导电纱线电极（4）以及第二导电纱线电极（5）。
在图2中，第一导电纱线电极（4）的截面与第二导电纱线电极（5）的截面分别处于压电纱线（2）的两侧。
在一个优选的实施例中，所述压电纱线（2）由压电有机聚合物、压电无机物或有机/无机复合物中的至少一种制成。
在一个优选的实施例中，所述压电有机聚合物包括聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯三氟乙烯、聚酰胺、聚乙烯中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述压电纱线（2）在用于制备所述织物结构前经过机械拉伸、热处理或电场极化处理，以增强所述压电纱线（2）的压电性能。
在一个优选的实施例中，所述压电无机物包含锆钛酸铅及钛酸钡中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述压电纱线（2）包括长丝无捻纱、长丝有捻纱、短纤维有捻纱中的至少一种。
需要说明的是，在一个可行的实施例中，压电纱线（2）可以选用静电纺PVDF-TrFE纳米纤维双股线，采用该材料作为压电纱线（2）制备得到的具有发电功能的织物结构如图3中的A所示，该织物结构的扫描电镜图片如图3中的B所示，该织物结构中静电纺PVDF-TrFE纳米纤维双股线的结构图如图3中的C所示。
在一个优选的实施例中，所述第一导电纱线电极（4）和所述第二导电纱线电极（5）中的纱线包括碳纳米管纱线、石墨烯纱线、涂银有机聚合物纱线或金属丝纱线中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述织物结构包括针织物结构、机织物结构、非织造物结构或上述三种结构的复合。
在一个优选的实施例中，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）以及所述压电纱线（2）夹在两层绝缘织物之间。
在一个优选的实施例中，所述两层绝缘织物的材料包括聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇及聚酰胺中的至少一种。
在一个优选的实施例中，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）以及所述压电纱线（2）夹在两层绝缘织物之间所采用的工艺包括针织缝编及粘合工艺。
在一个优选的实施例中，所述织物结构在织成后还通过机械拉伸、热处理或电场极化处理以增强其压电性能。
在一个优选的实施例中，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）分别由导电纱线相连。
在一个优选的实施例中，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）由导电纱线相连的工艺包括纱线编结、纱线之间焊接工艺。
本发明实施例提供的具有发电功能的织物结构在被应用至智能织物中时，当穿着者进行生理活动的过程中，织物结构内的压电纱线（2）发生形变，将使得压电纱线（2）的两侧产生异种电荷，其中一侧产生的异种电荷经由第一导电纱线点击（4）输送至第一连接纱线电极（1），另一侧产生的异种电荷经由第二导电纱线点击（5）输送至第二连接纱线电极（6），第一连接纱线电极（1）和第二连接纱线电极（6）可分别与存储电荷的设备进行连接，从而将获取的异种电荷进行存储，实现智能织物的发电功能。此外，本发明实施例提法的织物结构主要由纱线构成，从而保证了织物结构在应用于智能织物中时，能够使得智能织物保持良好的服用机械性能和服用舒适性能。
综上所述，本发明提供的具有发电功能的织物结构通过压电纱线（2）位于第一导电纱线电极（4）与第二导电纱线电极（5）之间，且在织物结构中，压电纱线（2）分别与第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）呈垂直分布，压电纱线（2）分别与普通纱线（3）、第一连接纱线电极（1）、第二连接纱线电极（6）呈平行分布；第一导电纱线电极（4）与第一连接纱线电极（1）连接，第二导电纱线电极（5）与第二连接纱线电极（6）连接；第一导电纱线电极（4）和第二导电纱线电极（5）彼此相互绝缘，分别用于收集压电纱线（2）发生形变时产生的异种电荷。使得压电纱线（2）受外力作用产生形变时，压电纱线（2）两侧生成的异种电荷分别被第一导电纱线电极（4）和第二导电纱线电极（5）收集，从而将压电纱线（2）上的机械能转化为电能，该织物结构全部用纱线构成，具有良好的服用机械性能如拉伸、压缩、回弹和弯曲等；也具有良好的服用性能如透气性和透湿性等，可用于制备服装、地毯、鞋垫、床上用品或运动器材，也可收集穿用者物理活动导致织物的机械变形并转化为电能进行供电，或用于智能健康监测器等用途。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明的后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种具有发电功能的织物结构，其特征在于，所述织物结构包括：第一连接纱线电极（1）、压电纱线（2）、普通纱线（3）、第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）和第二连接纱线电极（6）；
所述压电纱线（2）位于所述第一导电纱线电极（4）与所述第二导电纱线电极（5）之间，且在所述织物结构中，所述压电纱线（2）分别与所述第一导电纱线电极（4）、所述第二导电纱线电极（5）呈垂直分布，所述压电纱线（2）分别与所述普通纱线（3）、所述第一连接纱线电极（1）、所述第二连接纱线电极（6）呈平行分布；
所述第一导电纱线电极（4）与所述第一连接纱线电极（1）连接，所述第二导电纱线电极（5）与所述第二连接纱线电极（6）连接；
所述第一导电纱线电极（4）和所述第二导电纱线电极（5）彼此相互绝缘，分别用于收集所述压电纱线（2）发生形变时产生的异种电荷。
2.根据权利要求1所述的织物结构，其特征在于，所述压电纱线（2）由压电有机聚合物、压电无机物或有机/无机复合物中的至少一种制成。
3.根据权利要求2所述的织物结构，其特征在于，所述压电有机聚合物包括聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯三氟乙烯、聚酰胺、聚乙烯中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的织物结构，其特征在于，所述压电纱线（2）在用于制备所述织物结构前经过机械拉伸、热处理或电场极化处理，以增强所述压电纱线（2）的压电性能。
5.根据权利要求2所述的织物结构，其特征在于，所述压电无机物包含锆钛酸铅及钛酸钡中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的织物结构，其特征在于，所述压电纱线（2）包括长丝无捻纱、长丝有捻纱、短纤维有捻纱中的至少一种，所述第一导电纱线电极（4）和所述第二导电纱线电极（5）中的纱线包括碳纳米管纱线、石墨烯纱线、涂银有机聚合物纱线或金属丝纱线中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的织物结构，其特征在于，所述织物结构包括针织物结构、机织物结构、非织造物结构或上述三种结构的复合。
8.根据权利要求1所述的织物结构，其特征在于，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）以及所述压电纱线（2）夹在两层绝缘织物之间，所述两层绝缘织物的材料包括聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇及聚酰胺中的至少一种，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）以及所述压电纱线（2）夹在两层绝缘织物之间所采用的工艺包括针织缝编及粘合工艺。
9.根据权利要求1所述的织物结构，其特征在于，所述织物结构在织成后还通过机械拉伸、热处理或电场极化处理以增强其压电性能。
10.根据权利要求1所述的织物结构，其特征在于，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）分别由导电纱线相连，所述第一导电纱线电极（4）、第二导电纱线电极（5）由导电纱线相连的工艺包括纱线编结、纱线之间焊接工艺。
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