CN107059181A - 一种压力发电纱线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压力发电纱线及其制备方法，属于新能源和发电技术领域。本发明将导电聚合物纤维与镀铝纤维混纺纱作为芯纱，芯纱外表面包覆有导电聚合物纤维，再将外表面包覆有导电聚合物纤维的芯纱与镀金纤维纱线相互平行缠绕形成一体，即得到压力发电纱线。本发明制备的压力发电纱线，工艺简单，导电性，柔韧性好，具有很好的抗静电作用等优点。可广泛应用于生产具有压电转化功能的织物，在智能服装、可穿着显示器、嵌入式健康检测与护理等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力发电纱线及其制备方法，属于新能源和发电技术领域。
背景技术
通过在纤维表面镀一层金属离子或沉积导电聚合物，实现纤维的导电性能，已经应用于现代纺织材料中。压电材料可以通过自身的固有功能(性质)将电能和机械能相互转换。利用压电效应将振动等机械能转化为电能的压电发电装置已为人们所公知，而压电换能器件是其中最为核心的器件。在期刊Advanced Materials第28卷第7期1461-1468页，文献Polymer-Metal Schottky Contact with Direct-Current Outputs中采用铝箔和金片作为电极，PPy板夹在两电极中间设计成器件。此方法产生的电能可以直接储存在电容器中而不需要整流以给电子器件供电。导电聚合物板和金属电极大部分都是片状，使得器件形状单一，而且柔韧性，可弯曲性差。
发明内容
针对上述存在问题，本发明的目的在于所要解决的技术问题是，以纺织纤维为基材提出的一种压力发电纱线及其制备方法。为实现上述目的，本发明的技术解决方案为：
一种压力发电纱线，所述的压力发电纱线由镀铝纤维，镀金纤维和导电聚合物纤维构成，镀铝纤维，镀金纤维和导电聚合物纤维以纺织纤维为基材，导电聚合物纤维与镀铝纤维混纺纱作为芯纱，芯纱外表面包覆有导电聚合物纤维，外表面包覆有导电聚合物纤维的芯纱与镀金纤维纱线相互平行缠绕形成一体。
所述纺织纤维为棉纤维或毛纤维或麻纤维或腈纶纤维中的一种。
所述的导电聚合物是聚吡咯或聚苯胺中的一种。
一种压力发电纱线的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
a.镀铝纤维的制备
将洗净的纺织纤维置于等离子处理器中，处理10min，再置于等离子磁控溅射镀膜仪中，以铝为靶材处理30min，即得到外表面吸附有导电铝金属膜层的镀铝纤维。
b.镀金纤维的制备
将日照绿茶、无水乙醇和去离子水按质量比为1：1：1混合均匀，于60℃条件下处理30～60min，过滤，得滤液。
将洗净的纺织纤维置于甲醇溶液中，超声处理1～2h，去离子水洗净，置于经步骤b得到的滤液中，于20℃条件下处理2～4h，去离子水洗涤两次，置于银氨溶液中于40℃条件下处理3～4h，去离子水洗涤两次，再置于镀金溶液中于5℃条件处理72h，每隔12h更换一次金镀液，在纺织纤维外表面吸附金膜层后取出用无水乙醇洗涤两次，去离子水洗净，于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电金金属膜层的镀金纤维。
c.导电聚合物纤维的制备
将聚合物单体、表面活性剂和去离子水按质量比为0.05～0.1：0.0005：1搅拌均匀得到单体混合溶液，将氧化剂和去离子水按质量比为0.135：1搅拌均匀得到氧化引发剂溶液。
将洗净的纺织纤维置于单体混合溶液中，于冰水浴条件下搅拌浸渍30min，向其缓慢滴加氧化引发剂溶液，滴加结束后反应2～4h，取出反应后的纺织纤维依次置于无水乙醇、浓度为0.02g/mL的盐酸溶液、去离子水中分别洗涤两次，再于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电聚合物膜层的导电聚合物纤维。
d.将镀金纤维纺成镀金纤维纱线。
e.导电聚合物纤维与镀铝纤维按质量比为1：2混纺，将得到的混纺纱作为芯纱，将芯纱外表面包覆导电聚合物纤维，形成包芯纱，再将包芯纱与镀金纤维纱线进行并线，即得到压力发电纱线。
所述氧化剂为三氯化铁或过硫酸钾的一种。
所述聚合物单体为吡咯或苯胺中的一种。
由于采用了以上的技术方案，本发明的制备方法具有以下优点：以纺织纤维为基材，纺织纤维有柔顺性好，可任意弯曲等特点，使得获得的纱线具有很好的柔顺性，便于编织各种形状的织物。本发明制得的压力发电纱线制备工艺简单，条件易控，成本低廉，能量消耗少等优点，制得的产品既可作为导电纤维使用，也可应用于微压力传感器领域，并且在智能服装、可穿着显示器、嵌入式健康检测与护理等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
附图1为本发明的压力发电纱线在应变下的电信号输出。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，见附图。
一种压力发电纱线，所述的压力发电纱线由镀铝纤维，镀金纤维和导电聚合物纤维构成，镀铝纤维，镀金纤维和导电聚合物纤维以纺织纤维为基材，导电聚合物纤维与镀铝纤维混纺纱作为芯纱，芯纱外表面包覆有导电聚合物纤维，外表面包覆有导电聚合物纤维的芯纱与镀金纤维纱线相互平行缠绕形成一体。
所述纺织纤维为棉纤维或毛纤维或麻纤维或腈纶纤维中的一种。
所述的导电聚合物是聚吡咯或聚苯胺中的一种。
一种压力发电纱线的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
a.镀铝纤维的制备
将洗净的纺织纤维置于等离子处理器中，处理10min，再置于等离子磁控溅射镀膜仪中，以铝为靶材处理30min，即得到外表面吸附有导电铝金属膜层的镀铝纤维。
b.镀金纤维的制备
将日照绿茶、无水乙醇和去离子水按质量比为1：1：1混合均匀，于60℃条件下处理30～60min，过滤，得滤液。
将洗净的纺织纤维置于甲醇溶液中，超声处理1～2h，去离子水洗净，置于经步骤b得到的滤液中，于20℃条件下处理2～4h，去离子水洗涤两次，置于银氨溶液(AgNO3浓度为16.987g/L)于40℃条件下处理3～4h，去离子水洗涤两次，再置于镀金溶液中于5℃条件处理72h，每隔12h更换一次金镀液，在纺织纤维外表面吸附金膜层后取出用无水乙醇洗涤两次，去离子水洗净，于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电金金属膜层的镀金纤维。
c.导电聚合物纤维的制备
将聚合物单体、表面活性剂和去离子水按质量比为0.05～0.1：0.0005：1搅拌均匀得到单体混合溶液，将氧化剂和去离子水按质量比为0.135：1搅拌均匀得到氧化引发剂溶液；所述氧化剂为三氯化铁或过硫酸钾的一种。所述聚合物单体为吡咯或苯胺中的一种。
将洗净的纺织纤维置于单体混合溶液中，于冰水浴条件下搅拌浸渍30min，向其缓慢滴加氧化引发剂溶液，滴加结束后反应2～4h，取出反应后的纺织纤维依次置于无水乙醇、浓度为0.02g/mL的盐酸溶液、去离子水中分别洗涤两次，再于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电聚合物膜层的导电聚合物纤维。
d.将镀金纤维纺成镀金纤维纱线。
e.导电聚合物纤维与镀铝纤维按质量比为1：2混纺，将得到的混纺纱作为芯纱，将芯纱外表面包覆导电聚合物纤维，形成包芯纱，再将包芯纱与镀金纤维纱线进行并线，即得到压力发电纱线。
具体实施例
实施例一
按上述方法选用棉纤维作为基材
a.镀铝纤维的制备
将洗净的棉纤维置于等离子处理器中，处理10min，再置于等离子磁控溅射镀膜仪中，以铝为靶材处理30min，即得到外表面吸附有导电铝金属膜层的镀铝纤维。
b.镀金纤维的制备
取10g日照绿茶、10g无水乙醇和10g去离子水混合均匀，于60℃条件下处理30min，过滤，得滤液。
将洗净的棉纤维置于甲醇溶液中，超声处理1h，去离子水洗净，置于经步骤b得到的滤液中，于20℃条件下处理2h，去离子水洗涤两次，置于银氨溶液(AgNO3浓度为16.987g/L)中于40℃条件下处理3h，去离子水洗涤两次，再置于镀金溶液中于5℃条件处理72h，每隔12h更换一次金镀液，在棉纤维外表面吸附金膜层后取出用无水乙醇洗涤两次，去离子水洗净，于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电金金属膜层的镀金纤维。其中金镀液组成：5g/L KAu(CN)2，2.25g/L(NH)2CO，30g/L(NH4)2HC6H5O7·2H2O，20g/L NH4Cl，10g/LNiCl2。
c.导电聚合物纤维的制备
取5g吡咯单体、0.05g表面活性剂和100g去离子水搅拌均匀得到单体混合溶液，取13.5g三氯化铁和100g去离子水搅拌均匀得到氧化引发剂溶液。
将洗净的棉纤维置于单体混合溶液中，于冰水浴条件下搅拌浸渍30min，向其缓慢滴加氧化引发剂溶液，滴加结束后反应2h，取出反应后的棉纤维依次置于无水乙醇、浓度为0.02g/mL的盐酸溶液、去离子水中洗涤两次，再于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电聚合物膜层的导电聚合物纤维。
d.将镀金纤维纺成镀金纤维纱线。
e.导电聚合物纤维与镀铝纤维按质量比为1：2混纺，将得到的混纺纱作为芯纱，再将芯纱外表面包覆导电聚合物纤维，形成包芯纱，再将包芯纱与镀金纤维纱线进行并线，即得到压力发电纱线。
实施例二
按上述方法选用毛纤维作为基材
a.镀铝纤维的制备
将洗净的毛纤维置于等离子处理器中，处理10min，再置于等离子磁控溅射镀膜仪中，以铝为靶材处理30min，即得到外表面吸附有导电铝金属膜层的镀铝纤维。
b.镀金纤维的制备
取15g日照绿茶、15g无水乙醇和15g去离子水混合均匀，于60℃条件下处理60min，过滤，得滤液。
将洗净的毛纤维置于甲醇溶液中，超声处理2h，去离子水洗净，置于经步骤b得到的滤液中，于20℃条件下处理4h，去离子水洗涤两次，置于银氨溶液(AgNO3浓度为16.987g/L)中于40℃条件下处理4h，去离子水洗涤两次，再置于镀金溶液中于5℃条件处理72h其中每隔12h更换一次金镀液，在毛纤维外表面吸附金膜层后取出用无水乙醇洗涤两次，去离子水洗净，于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电金金属膜层的镀金纤维。其中金镀液组成：5g/L KAu(CN)2，2.25g/L(NH)2CO，30g/L(NH4)2HC6H5O7·2H2O，20g/L NH4Cl，10g/LNiCl2。
c.导电聚合物纤维的制备
取10g苯胺单体、0.05g表面活性剂和100g去离子水搅拌均匀得到单体混合溶液，取13.5g过硫酸钾和100g去离子水搅拌均匀得到氧化引发剂溶液。
将洗净的毛纤维置于单体混合溶液中，于冰水浴条件下搅拌浸渍30min，向其缓慢滴加氧化引发剂溶液，滴加结束后反应4h，取出反应后的毛纤维依次置于无水乙醇、浓度为0.02g/mL的盐酸溶液、去离子水中洗涤两次，再于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电聚合物膜层的导电聚合物纤维。
d.将镀金纤维纺成镀金纤维纱线。
e.导电聚合物纤维与镀铝纤维按质量比为1：2混纺，将得到的混纺纱作为芯纱，再将芯纱外表面包覆导电聚合物纤维，形成包芯纱，再将包芯纱与镀金纤维纱线进行并线，即得到压力发电纱线。
实施例三
按上述方法选用麻纤维作为基材
a.镀铝纤维的制备
将洗净的麻纤维置于等离子处理器中，处理10min，再置于等离子磁控溅射镀膜仪中，以铝为靶材处理30min，即得到外表面吸附有导电铝金属膜层的镀铝纤维。
b.镀金纤维的制备
取10g日照绿茶、10g无水乙醇和10g去离子水混合均匀，于60℃条件下处理30～60min，过滤，得滤液。
将洗净的麻纤维置于甲醇溶液中，超声处理1.5h，去离子水洗净，置于经步骤b得到的滤液中，于20℃条件下处理3h，去离子水洗涤两次，置于银氨溶液(AgNO3浓度为16.987g/L)中于40℃条件下处理3h，去离子水洗涤两次，再置于镀金溶液中于5℃条件处理72h其中每隔12h更换一次金镀液，在麻纤维外表面吸附金膜层后取出用无水乙醇洗涤两次，去离子水洗净，于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电金金属膜层的镀金纤维。其中金镀液组成：5g/L KAu(CN)2，2.25g/L(NH)2CO，30g/L(NH4)2HC6H5O7·2H2O，20g/LNH4Cl，10g/L NiCl2。
c.导电聚合物纤维的制备
取6.7g吡咯单体、0.05g表面活性剂和100g去离子水搅拌均匀得到单体混合溶液，取13.5g过硫酸钾和100g去离子水搅拌均匀得到氧化引发剂溶液。
将洗净的麻纤维置于单体混合溶液中，于冰水浴条件下搅拌浸渍30min，向其缓慢滴加氧化引发剂溶液，滴加结束后反应3，取出反应后的麻纤维依次置于无水乙醇、浓度为0.02g/mL的盐酸溶液、去离子水中洗涤两次，再于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电聚合物膜层的导电聚合物纤维。
d.将镀金纤维纺成镀金纤维纱线。
e.导电聚合物纤维与镀铝纤维按质量比为1：2混纺，将得到的混纺纱作为芯纱，再将芯纱外表面包覆导电聚合物纤维，形成包芯纱，再将包芯纱与镀金纤维纱线进行并线，即得到压力发电纱线。
实施例四
按上述方法选用腈纶纤维作为基材
a.镀铝纤维的制备
将洗净的腈纶纤维置于等离子处理器中，处理10min，再置于等离子磁控溅射镀膜仪中，以铝为靶材处理30min，即得到外表面吸附有导电铝金属膜层的镀铝纤维。
b.镀金纤维的制备
取10g日照绿茶、10g无水乙醇和10g去离子水混合均匀，于60℃条件下处理30～60min，过滤，得滤液。
将洗净的腈纶纤维置于甲醇溶液中，超声处理2h，去离子水洗净，置于经步骤b得到的滤液中，于20℃条件下处理4h，去离子水洗涤两次，置于银氨溶液(AgNO3浓度为16.987g/L)中于40℃条件下处理3.5h，去离子水洗涤两次，再置于镀金溶液中于5℃条件处理72h其中每隔12h更换一次金镀液，在腈纶纤维外表面吸附金膜层后取出用无水乙醇洗涤两次，去离子水洗净，于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电金金属膜层的镀金纤维。其中金镀液组成：5g/L KAu(CN)2，2.25g/L(NH)2CO，30g/L(NH4)2HC6H5O7·2H2O，20g/LNH4Cl，10g/L NiCl2。
c.导电聚合物纤维的制备
取9.3g苯胺单体、0.05g表面活性剂和100g去离子水搅拌均匀得到单体混合溶液，取13.5g过硫酸钾和100g去离子水搅拌均匀得到氧化引发剂溶液。
将洗净的腈纶纤维置于单体混合溶液中，于冰水浴条件下搅拌浸渍30min，向其缓慢滴加氧化引发剂溶液，滴加结束后反应3h，取出反应后的腈纶纤维依次置于无水乙醇、浓度为0.02g/mL的盐酸溶液、去离子水中洗涤两次，再于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电聚合物膜层的导电聚合物纤维。
d.将镀金纤维纺成镀金纤维纱线。
e.导电聚合物纤维与镀铝纤维按质量比为1：2混纺，将得到的混纺纱作为芯纱，再将芯纱外表面包覆导电聚合物纤维，形成包芯纱，再将包芯纱与镀金纤维纱线进行并线，即得到压力发电纱线。
Claims (6)
1.一种压力发电纱线，其特征在于：所述的压力发电纱线由镀铝纤维，镀金纤维和导电聚合物纤维构成，镀铝纤维，镀金纤维和导电聚合物纤维以纺织纤维为基材，导电聚合物纤维与镀铝纤维混纺纱作为芯纱，芯纱外表面包覆有导电聚合物纤维，外表面包覆有导电聚合物纤维的芯纱与镀金纤维纱线相互平行缠绕形成一体。
2.如权利要求1所述的一种压力发电纱线，其特征在于：所述纺织纤维为棉纤维或毛纤维或麻纤维或腈纶纤维中的一种。
3.如权利要求1所述的一种压力发电纱线，其特征在于：所述的导电聚合物是聚吡咯或聚苯胺中的一种。
4.一种压力发电纱线的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
a.镀铝纤维的制备
将洗净的纺织纤维置于等离子处理器中，处理10min，再置于等离子磁控溅射镀膜仪中，以铝为靶材处理30min，即得到外表面吸附有导电铝金属膜层的镀铝纤维；
b.镀金纤维的制备
将日照绿茶、无水乙醇和去离子水按质量比为1：1：1混合均匀，于60℃条件下处理30～60min，过滤，得滤液；
将洗净的纺织纤维置于甲醇溶液中，超声处理1～2h，去离子水洗净，置于经步骤b得到的滤液中，于20℃条件下处理2～4h，去离子水洗涤两次，置于银氨溶液中于40℃条件下处理3～4h，去离子水洗涤两次，再置于镀金溶液中于5℃条件处理72h，每隔12h更换一次金镀液，在纺织纤维外表面吸附金膜层后，取出用无水乙醇洗涤两次，去离子水洗净，于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电金金属膜层的镀金纤维；
c.导电聚合物纤维的制备
将聚合物单体、表面活性剂和去离子水按质量比为0.05～0.1：0.0005：1搅拌均匀得到单体混合溶液，将氧化剂和去离子水按质量比为0.135：1搅拌均匀得到氧化引发剂溶液；
将洗净的纺织纤维置于单体混合溶液中，于冰水浴条件下搅拌浸渍30min，向其缓慢滴加氧化引发剂溶液，滴加结束后反应2～4h，取出反应后的纺织纤维依次置于无水乙醇、浓度为0.02g/mL的盐酸溶液、去离子水中分别洗涤两次，再于60℃条件下干燥1h，即得到外表面吸附有导电聚合物膜层的导电聚合物纤维；
d.将镀金纤维纺成镀金纤维纱线；
e.导电聚合物纤维与镀铝纤维按质量比为1：2混纺，将得到的混纺纱作为芯纱，将芯纱外表面包覆导电聚合物纤维，形成包芯纱，再将包芯纱与镀金纤维纱线进行并线，即得到压力发电纱线。
5.如权利要求4所述的一种压力发电纱线的制备方法，其特征在于：所述氧化剂为三氯化铁或过硫酸钾的一种。
6.如权利要求4所述的一种压力发电纱线的制备方法，其特征在于：所述聚合物单体为吡咯或苯胺中的一种。
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