CN108796755B - 基于静电摩擦效应的发电布料及发电衣 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于静电摩擦效应的发电布料，第一复合纱线(100)，包括：第一导电纤维内芯(101)以及第一外层材料(102)；第二复合纱线(200)，包括：第二导电纤维内芯(201)以及第二外层材料(202)；第一复合纱线(100)中第一外层材料(102)与第二复合纱线(200)中第二外层材料(202)处于摩擦电极序上的不同位置，两者之间可接触、可摩擦。通过将摩擦电极序不同的含有导电内芯的复合纱线利用现有的纺织技术制备成发电布料以及发电衣，具有安全性好、方便清洗、可以大规模生产、舒适程度较高的优点。

Description

基于静电摩擦效应的发电布料及发电衣

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及一种基于静电摩擦效应的发电布料及发电衣。

背景技术

可穿戴电子器件诸如电子皮肤、智能手表、运动手环等逐渐显示出广泛的应用前景和巨大的市场潜力，关键技术之一即为：寻找一种能够持续提供电能的供电装置，满足轻便、可折叠的基础要求，并且在此基础上具有安全、耐用性强、可大规模生产、舒适、方便清洗等特点。摩擦发电机是一种新的能量收集方式，利用摩擦生电和静电感应效应产生电能，成为柔性显示、可穿戴电子器件供能的不二选择。

现有技术中，摩擦发电机大都是采用金属线或者金属薄膜作为电极，在摩擦过程中金属线容易断掉，金属薄膜容易脱落，且电极安全性较差、不易清洗，而包裹于金属电极外面的材料通常采用柔性聚合物，虽然能够实现持续供电，但是通常来说舒适程度不佳、美观度较差。另外，现有摩擦发电机的摩擦层制备工艺复杂、精密，制备过程对于发电性能有较大影响，虽然其具有可编织性，但是与现有的商业化生产技术不匹配，不利于大规模生产。因此要实现摩擦发电机的广泛应用和投产，亟需解决现有摩擦发电机存在的安全性差、不易清洗、难以大规模生产、舒适程度较低的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种基于静电摩擦效应的发电布料及发电衣，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于静电摩擦效应的发电布料，包括：第一复合纱线100，包括：第一导电纤维内芯101以及第一外层材料102；第二复合纱线200，包括：第二导电纤维内芯201以及第二外层材料202；第一复合纱线100中第一外层材料102与第二复合纱线200中第二外层材料202处于摩擦电极序上的不同位置，两者之间可接触、可摩擦。

在本发明的一个实施例中，第一复合纱线100和第二复合纱线200构成组织结构，该组织结构为以下组织结构中的一种：原组织、变化组织、联合组织和重组织。

在本发明的一个实施例中，第一复合纱线100和第二复合纱线200构成的组织结构包括：第一复合纱线100和第二复合纱线200的其中之一作为纬线，其中另一作为经线，二者采用平纹结构组织起来，形成原组织结构，所述纬线和经线之间可接触、可摩擦。

在本发明的一个实施例中，发电布料包括：第一层布料，由第一复合纱线100同时作为经线和纬线，采用平纹结构组织起来，形成原组织结构；第二层布料，由第二复合纱线200同时作为经线和纬线，采用平纹结构组织起来，形成原组织结构；第一层布料和第二层布料之间可接触、可摩擦。

在本发明的一个实施例中，第一导电纤维内芯101与第二导电纤维内芯201，选用如下材料中的一种材料或者是两种以上所组成的复合材料：导电的碳纤维、银纤维、不锈钢纤维、碳钢纤维、铜纤维、铝纤维、镍纤维和铁纤维；第一外层材料102，选用如下材料中的一种材料或者是两种以上所组成的复合材料：尼龙、棉纱、羊毛和丝绸；第二外层材料202，选用如下材料中的一种材料或者是两种以上所组成的复合材料：聚酰亚胺纤维纱线、丙纶纱线、氯纶纱线、腈纶纱线和聚酯纤维纱线。

在本发明的一个实施例中，第一导电纤维内芯101与第二导电纤维内芯201的直径介于10μm和1mm之间；第一外层材料102和第二外层材料202的纤度规格在30D到300D之间，其单纤根数的规格介于30F到400F之间。

在本发明的一个实施例中，第一复合纱线100和第二复合纱线200通过在导电纤维内芯的外层纺织摩擦后容易带电的纱线或纤维材料获得。

在本发明的一个实施例中，上述纺织方法包括如下方法中的一种：环锭纺纱法、转杯纺纱法、静电纺纱法和喷气纺纱法。

在本发明的一个实施例中，第一复合纱线100和第二复合纱线200构成的组织结构是通过针织、梭织和机织中的一种或几种方法获得。

根据本发明的另一个方面，提供了一种发电衣，包括：上面所述的任一种发电布料。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的基于静电摩擦效应的发电布料及发电衣，具有以下有益效果：通过将摩擦电极序不同的含有导电内芯的复合纱线利用现有的纺织技术制备成发电布料以及发电衣，具有安全性好、方便清洗、可以大规模生产、舒适程度较高的优点。

附图说明

图1A为根据本发明实施例具有平纹结构的经线、纬线采用不同材料的基于静电摩擦效应的发电布料示意图；图1B为根据本发明实施例发电布料中作为纬线的第一复合纱线的示意图；图1C为根据本发明实施例发电布料中作为经线的第二复合纱线的示意图。

图2为根据本发明实施例具有平纹结构的经线、纬线采用同种材料的基于静电摩擦效应的发电布料示意图

图3A为根据本发明实施例具有平纹结构的经线、纬线采用不同材料的基于静电摩擦效应的发电布料由于压力作用产生电学输出的工作原理图；图3B为根据本发明实施例具有平纹结构的经线、纬线采用不同材料的基于静电摩擦效应的发电布料与电负性不同的材料接触时产生电学输出的工作原理图；图3C为根据本发明实施例两层不同摩擦电序的具有平纹结构的经线、纬线采用相同材料的基于静电摩擦效应的发电布料相互摩擦时产生电学输出的工作原理图。

图4为根据本发明实施例包括平纹结构的基于静电摩擦效应的发电布料的发电衣与不同材质的布料摩擦时产生的断路电压和短路电荷密度柱状图。

图5A和图5B分别为根据本发明实施例图4所示发电衣进行电学输出测试的断路电压和短路电流输出曲线。

【符号说明】

100-第一复合纱线；

101-第一导电纤维内芯；

102-第一外层材料；

200-第二复合纱线；

201-第二导电纤维内芯；

202-第二外层材料。

具体实施方式

本发明提供了一种基于静电摩擦效应的发电布料及发电衣，通过将摩擦电极序不同的含有导电内芯的复合纱线利用编织的手段制备成发电布料以及发电衣，安全性好、方便清洗、可以大规模生产、舒适程度较高。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种基于静电摩擦效应的发电布料。图1A为根据本发明实施例具有平纹结构的经线、纬线采用不同材料的基于静电摩擦效应的发电布料示意图；图1B为根据本发明实施例发电布料中作为纬线的第一复合纱线的示意图；图1C为根据本发明实施例发电布料中作为经线的第二复合纱线的示意图。

参照图1A、图1B和图1C所示，基于静电摩擦效应的发电布料包括：

第一复合纱线100，包括：第一导电纤维内芯101以及第一外层材料102；第二复合纱线200，包括：第二导电纤维内芯201以及第二外层材料202；第一复合纱线100中的第一外层材料102与第二复合纱线200中第二外层材料202处于摩擦电极序上的不同位置，两者之间可接触、可摩擦；

其中，第一复合纱线100和第二复合纱线200构成组织结构，该组织结构为以下组织结构中的一种：原组织、变化组织、联合组织和重组织；其中常见形式包括：平纹组织、经重平组织、纬重平组织、方平组织等。

本实施例中由第一复合纱线100和第二复合纱线200构成的组织结构为：第一复合纱线100作为纬线，第二复合纱线200作为经线，二者采用平纹结构组织起来，形成原组织结构，如图1所示；用作发电机时，将所有经线的导电纤维内芯的接头连在一起当作发电机的一个电极，将所有纬线的导电纤维内芯的接头连在一起当作发电机的另一个电极。

下面对本实施例基于静电摩擦效应的发电布料的组成部分进行详细介绍。

第一复合纱线100的第一导电纤维内芯101与第二复合纱线200的第二导电纤维内芯201，可以选用如下材料中的一种材料或者是两种以上所组成的复合材料：导电的碳纤维，或者金属纤维，诸如银纤维、不锈钢纤维、碳钢纤维、铜纤维、铝纤维、镍纤维和铁纤维等；出于安全、舒适的考虑，本实施例优选碳纤维；

第一导电纤维内芯101和第二导电纤维内芯201的直径介于10μm和1mm之间，本实施例其直径均选用100μm；

第一外层材料102，可以选用如下材料中的一种材料或者是两种以上所组成的复合材料：尼龙、棉纱、羊毛和丝绸等；出于成本和加工方便的角度，本实施例优选尼龙；

第二外层材料202，可以选用如下材料中的一种材料或者是两种以上所组成的复合材料：聚酰亚胺纤维纱线、丙纶纱线、氯纶纱线、腈纶纱线和聚酯纤维纱线等；本实施例优选聚酰亚胺纤维纱线；

出于舒适度和成本的考虑，第一外层材料和第二外层材料可以选用纱线或纤维；

外层纱线的纤度规格在30D到300D之间，本实施例优选100D，其中，D表示纤度，1D的定义为9000米长度的纱线重量为1克，D值越大，表示纱线越粗；且外层纱线的单纤根数的规格介于30F到400F之间，优选200F，其中F表示单纤根数；外层纱线可以是单股，也可以是多股，优选两股；

复合纱线通过在导电纤维内芯的外层纺织摩擦后容易带电的纱线或纤维获得，纺织方法包括：环锭纺纱法、转杯纺纱法、静电纺纱法和喷气纺纱法等，优选转杯纺纱方法；

将复合纱线构成布料的组织结构的方法包括针织、梭织和机织等，出于大规模生产的角度，本实施例优选机织。

下面对本实施例中发电布料作为发电机的原理进行介绍。图3A为根据本发明实施例具有平纹结构的经线、纬线采用不同材料的基于静电摩擦效应的发电布料由于压力作用产生电学输出的工作原理图；图3B为根据本发明实施例具有平纹结构的经线、纬线采用不同材料的基于静电摩擦效应的发电布料与电负性不同的材料接触时产生电学输出的工作原理图。

图3A中为了更好的说明工作原理，第一导电纤维内芯101和第二导电纤维内芯201平移到了第一外层材料102和第二外层材料202的外面，如图中加粗的黑色线所示，由图3A可知：当发电衣受到人体的压力时，第一复合纱线100与第二复合纱线200相接触，由于静电摩擦作用产生摩擦电荷，二者具有电势差，当撤掉压力后，二者接触面积变小，电势差驱动电荷的移动从而产生电学输出；

参照图3B可知，当基于静电摩擦效应的发电布料与织物或者皮肤等电负性不同的材料接触时，在两种复合纱线之间就会产生电势差，从而驱动电子在外电路中流动，形成电流输出。

在本发明的第二个示例性实施例中还提供了另外一种基于静电摩擦效应的发电布料，图2为根据本发明实施例具有平纹结构的经线、纬线采用同种材料的基于静电摩擦效应的发电布料示意图，如图2所示，具有平纹结构的经线、纬线采用同种材料的基于静电摩擦效应的发电布料与第一实施例的区别在于：组织结构不同，其组织结构包含两层布料：第一层布料，由第一复合纱线100同时作为经线和纬线，采用平纹结构组织起来，形成原组织结构；第二层布料，由第二复合纱线200同时作为经线和纬线，采用平纹结构组织起来，形成原组织结构，这两层布料之间通过各自的外层材料可接触、可摩擦。如图2所示，用作发电机时，每一层的发电布料自身的经线和纬线处于等电势，图2中以黑色短虚线用以示意，将不同摩擦电序的各层经线或者纬线内芯的部分连接起来作为发电机的两个电极，图2中以黑色长虚线示意两个电极的连接情况。

需要说明的是，以上两个实施例只是本发明中基于静电摩擦效应的发电布料的一个具体表现形式，在实际操作中，基于静电摩擦效应的发电布料还可以包括多种处于不同摩擦电极序的复合纱线，将其进行编织，构成布料的组织结构，不局限于上述实施例的两种复合纱线，其组织结构也不局限于平纹组织。

下面对上述实施例的基于静电摩擦效应的发电布料的原理进行介绍。作为一种新型的摩擦发电机，此发电布料拓宽了传统摩擦发电机仅仅通过压力发电的方式，还可以通过相互摩擦以及与电负性不同的材料包括皮肤、织物等的摩擦产生电学输出。

图3C为根据本发明实施例两层不同摩擦电序的具有平纹结构的经线、纬线采用相同材料的基于静电摩擦效应的发电布料相互摩擦时产生电学输出的工作原理图。

参照图3C所示，两层不同摩擦电序的具有平纹结构的经线、纬线采用相同材料的基于静电摩擦效应的发电布料相互摩擦，由于摩擦电序不同，导致二者之间产生电势差从而产生电学输出；当然，两层不同摩擦电序的具有平纹结构的经线、纬线采用相同材料的基于静电摩擦效应的发电布料的发电方式不局限于上述方式，还可以是每一块的发电布料与织物或者皮肤等电负性不同的材料接触从而形成不同的电势，最终在电路中输出电流。

在本发明的第三个示例性实施例中，提供了一种发电衣，该发电衣包括：基于静电摩擦效应的发电布料，该发电布料包括：由两种不同摩擦电极序的第一复合纱线100和第二复合纱线200构成的组织结构；

其中，第一复合纱线100包括第一导电纤维内芯101以及第一外层材料102；第二复合纱线200包括第二导电纤维内芯201以及第二外层材料202；

上述组织结构包括：原组织、变化组织、联合组织和重组织等，具体包括：平纹组织、经重平组织、纬重平组织、方平组织等。

本实施例发电衣的发电布料选用第一个示例性实施例中的具有平纹结构的经线、纬线采用不同材料的基于静电摩擦效应的发电布料。图4为根据本发明实施例具有平纹结构的经线、纬线采用不同材料的基于静电摩擦效应的发电布料的发电衣与不同材质的布料摩擦时产生的断路电压和短路电荷密度柱状图，柱状图表明：不同电负性的材料，其摩擦产生的电压和电荷量不同，如图4所示，与棉、羊毛、尼龙、涤纶及腈纶等不同电负性的纺织材料接触摩擦时，对应可以产生几十伏量级的电压，这为后续的发电衣进行实用化以及与其他织物进行复合或者装饰等都提供了良好的指导思路，并证实了上述发电衣的实用性。

在本发明的第四个示例性实施例中，提供了一种发电衣，该发电衣的发电布料选用第二个示例性实施例中的两层不同摩擦电序的具有平纹结构的经线、纬线采用相同材料的基于静电摩擦效应的发电布料；实际使用时将该发电衣中的两层发电布料穿戴于人体两个具有相对运动的位置上，通过二者之间进行摩擦，产生电流输出；也可以两层发电布料单独跟皮肤或者其它织物摩擦产生电流输出。

图5A和图5B分别为根据本发明实施例图4所示发电衣进行电学输出测试的断路电压和短路电流输出曲线。参照图5A与图5B所示，通过将该发电衣中的两层发电布料穿戴于人体两个具有相对运动的位置上，获得了45V的输出电压和0.6μA～1μA的输出电流，进一步证明该发电衣具有作为发电机的功能，同时还兼顾了衣服的舒适与安全性。

需要注意的是，本发明提供的基于静电摩擦效应的发电布料及发电衣的发电方式不仅仅限于上述提到的方式，除了上述方式单独或者结合使用进行发电之外，还可以包括其他的发电方式。

综上所述，本发明提供了一种基于静电摩擦效应的发电布料及发电衣，通过将摩擦电极序不同的含有导电内芯的复合纱线利用编织的手段制备成发电布料以及发电衣，通过压力、与电负性不同的材料接触、相互摩擦等方式即可实现发电，安全性好、方便清洗、可以大规模生产、舒适程度较高。

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。当然，根据实际需要，本发明提供的基于静电摩擦效应的发电布料及发电衣，还包含其他的常用制备方法和步骤，由于同发明的创新之处无关，此处不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于静电摩擦效应的发电布料，包括：

第一复合纱线(100)，包括：第一导电纤维内芯(101)以及第一外层材料(102)；

第二复合纱线(200)，包括：第二导电纤维内芯(201)以及第二外层材料(202)；

第一复合纱线(100)中第一外层材料(102)与第二复合纱线(200)中第二外层材料(202)处于摩擦电极序上的不同位置，两者之间可接触、可摩擦；

其中，所述第一复合纱线(100)和第二复合纱线(200)通过在导电纤维内芯的外层纺织摩擦后容易带电的纱线或纤维材料获得；

第一复合纱线(100)和第二复合纱线(200)构成组织结构，该组织结构为以下组织结构中的一种：原组织、变化组织、联合组织和重组织。

2.根据权利要求1所述的发电布料，其中，所述组织结构包括：第一复合纱线(100)和第二复合纱线(200)的其中之一作为纬线，其中另一作为经线，二者采用平纹结构组织起来，形成原组织结构，所述纬线和经线之间可接触、可摩擦。

3.根据权利要求1所述的发电布料，包括：

第一层布料，由第一复合纱线(100)同时作为经线和纬线，采用平纹结构组织起来，形成原组织结构；

第二层布料，由第二复合纱线(200)同时作为经线和纬线，采用平纹结构组织起来，形成原组织结构；

所述第一层布料和第二层布料之间可接触、可摩擦。

4.根据权利要求1至3任一项所述的发电布料，其中，

所述第一导电纤维内芯(101)与第二导电纤维内芯(201)，选用如下材料中的一种材料或者是两种以上所组成的复合材料：导电的碳纤维、银纤维、不锈钢纤维、碳钢纤维、铜纤维、铝纤维、镍纤维和铁纤维；

所述第一外层材料(102)，选用如下材料中的一种材料或者是两种以上所组成的复合材料：尼龙、棉纱、羊毛和丝绸；

所述第二外层材料(202)，选用如下材料中的一种材料或者是两种以上所组成的复合材料：聚酰亚胺纤维纱线、丙纶纱线、氯纶纱线、腈纶纱线和聚酯纤维纱线。

5.根据权利要求1至3任一项所述的发电布料，其中，

所述第一导电纤维内芯(101)与第二导电纤维内芯(201)的直径介于10μm和1mm之间；

所述第一外层材料(102)和第二外层材料(202)的纤度规格在30D到300D之间，其单纤根数的规格介于30F到400F之间。

6.根据权利要求1至3任一项所述的发电布料，其中，

所述第一复合纱线(100)和第二复合纱线(200)构成的组织结构是通过针织和机织中的一种或几种方法获得。

7.一种发电衣，包括：权利要求1至5任一项所述的发电布料。

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