CN109722754B - 一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法 - Google Patents

一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Cu/PVDF‑TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法,属于纺丝技术领域。本发明提供的一种Cu/PVDF‑TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法,以PVDF‑TrFE和CNTY作为原料,采用共轭静电纺丝技术制备得到以CNTY作为为芯纱,PVDF‑TrFE为外包纱的PVDF‑TrFE/CNTY复合纱,并将PVDF‑TrFE/CNTY复合纱进行极化处理后表面溅射涂层Cu纳米粒子,从而使得制备得到的Cu/PVDF‑TrFE/CNTY复合压电纱具备优异的压电结构,该Cu/PVDF‑TrFE/CNTY复合压电纱应用于柔性可穿戴电子设备中,能够提高柔性可穿戴电子设备的穿戴舒适度,降低压电纤维嵌入柔性可穿戴电子设备给人体正常活动造成的异物感,且独特的压电结构能够提高机械能与电能之间的转换效率。

Description

一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法
技术领域
本发明涉及一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法,属于纺丝技术领域。
背景技术
随着时代的发展以及科技的进步,柔性可穿戴电子设备产业逐渐兴起,整体呈现出系统微型化,功能复杂化等特点。由于柔性可穿戴电子设备体积较小,携带方便,深受年轻一代的喜爱。
现有柔性可穿戴电子设备的供电电源往往以蓄电池和压电纤维为主,由于电池技术发展的相对滞后,蓄电池的体积和重量往往较大,不利于用户对柔性可穿戴电子设备体积更小,厚度更薄,舒适度更高的追求;此外,现有压电纤维的压电结构往往较为复杂,其重量较大,柔性较低,且动能与电信号的转化率较低,其应用于柔性可穿戴电子设备后,很容易导致用户在穿戴可穿戴电子设备后,感受到明显的异物感,从而使得用户的穿戴体验较低。
发明内容
柔性可穿戴电子设备的发展已成为一种趋势,随着柔性可穿戴电子设备的普及和生活化,对柔性可穿戴电子设备的轻柔性和舒适性、功能性要求也更加迫切。为了解决柔性可穿戴电子设备中压电材料及结构设计导致舒适性较低的技术问题,本发明提供了一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法,所述技术方案如下:
根据本发明实施例的一个方面,提供一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
称取2g PVDF-TrFE粉末溶于6gDMF和4g丙酮形成的混合溶剂中,配制得到浓度为20wt %的PVDF-TrFE溶液;
将所述PVDF-TrFE溶液分别送入连接有正电压和负电压的两个纺丝喷头同时进行静电纺丝,分别得到带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维;
采用转动的锥形加捻器取向凝聚带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维并加捻,使得带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维在静电场及所述锥形加捻器的共同作用下形成圆锥形加捻三角区;
将CNTY从所述锥形加捻器的中心引入所述圆锥形加捻三角区,使得所述CNTY在穿过所述圆锥形加捻三角区时,被带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维加捻于中心,得到PVDF-TrFE/CNTY复合纱,将所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱穿过导纱孔后由罗拉卷绕收集;
采用电晕极化装置对所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱进行极化处理;
采用磁控溅射设备在极化处理后的所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱表面溅射涂层铜纳米薄膜,得到Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱。
在一个优选的实施例中,所述称取2g PVDF-TrFE粉末溶于6gDMF和4g丙酮形成的混合溶剂中,配制得到浓度为20wt %的PVDF-TrFE溶液,包括:
将试剂瓶、磁子、注射针管用去离子水清洗后置入烘箱进行烘干;
向烘干后的所述试剂瓶分别送入2gPVDF-TrFE粉末、6gDMF和磁子后,密封所述试剂瓶;
采用多点智能磁力搅拌器,将所述试剂瓶中的混合液于加热70℃条件下搅拌6h,待所述混合液冷却后向所述混合液加入4g的丙酮,再次搅拌6h,配制得到浓度为20wt %的PVDF-TrFE溶液。
在一个优选的实施例中,所述采用磁控溅射设备在极化处理后的所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱表面溅射涂层铜纳米薄膜的工序参数包括:
采用靶材在下、基材在上的结构,靶材与极化处理后的所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱之间距离为80 mm;采用旋转基台的方法,样品架以100r/min的速度旋转;溅射时长为15min,溅射功率为120w。
在一个优选的实施例中,所述采用电晕极化装置对所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱进行极化处理的步骤中,所述电晕极化装置中的绝缘管直径为90 mm,所述绝缘管的内壁均匀插设有四枚钢针,所述四枚钢针位于同一水平面,各枚钢针的针尖与所述绝缘管内壁的长度为30 mm,针尖与所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱之间距离为15 mm,所述四枚钢针与高压直流电源的正极连接,所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱中心的CNTY与接地装置连接,使得所述四枚钢针的针尖与CNTY之间施加+5KV电压,极化处理时所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱的卷绕速度为0.5 m/min。
在一个优选的实施例中,静电纺丝工序中所述两个纺丝喷头对所述PVDF-TrFE溶液的推进速度为0.3ml/h。
在一个优选的实施例中,一个纺丝喷头连接的电压为+20 kV,另一个纺丝喷头连接的电压为-20 kV。
在一个优选的实施例中,所述锥形加捻器的直径为10.2cm,所述锥形加捻器的斜边长为8.5cm,所述锥形加捻器与所述导纱孔之间的距离为14cm,所述锥形加捻器的转速为0.1 r / s。
在一个优选的实施例中,各个纺丝喷头与锥形加捻器边缘之间的距离为20cm。
在一个优选的实施例中,纺丝喷头的喷嘴倾斜角度为28.2 o,各个纺丝喷头的喷嘴之间距离为40cm。
在一个优选的实施例中,所述罗拉的卷绕速度为0.15 cm/s。
与现有技术相比,本发明提供的一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法具有以下优点:
本发明提供的一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法,以PVDF-TrFE和CNTY作为原料,采用共轭静电纺丝技术制备得到以CNTY作为为芯纱,PVDF-TrFE为外包纱的PVDF-TrFE/CNTY复合纱,并将PVDF-TrFE/CNTY复合纱进行极化处理后表面溅射涂层Cu纳米粒子,从而使得制备得到的Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱具备优异的压电结构,该Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱应用于柔性可穿戴电子设备中,能够提高柔性可穿戴电子设备的穿戴舒适度,降低压电纤维嵌入柔性可穿戴电子设备给人体正常活动造成的异物感,且独特的压电结构能够提高机械能与电能之间的转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述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的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据一示例性实施例示出的一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法。
图2是根据一示例性实施例示出的一种PVDF-TrFE/CNTY复合纱的制备装置的装置示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种电晕极化装置的装置示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的结构示意图。
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。
需要说明的是,本发明各个实施例所使用的磁力搅拌器搅的型号为ZNCL-S-5D。
为了便于对本发明实施例进行说明,预先对本发明实施例涉及的化学物品英文缩写式进行介绍:
1、PVDF-TrFE:指聚偏二氟乙烯三氟乙烯。
2、DMF:指N,N-二甲基甲酰胺。
3、CNTY:指管碳纳米管纱线。
图1是根据一示例性实施例示出的一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
步骤101,称取2g PVDF-TrFE粉末溶于6gDMF和4g丙酮形成的混合溶剂中,配制得到浓度为20wt %的PVDF-TrFE溶液。
在一种可能的实施方式中,步骤101的具体实施步骤可以包括:
1)将试剂瓶、磁子、注射针管用去离子水清洗后置入烘箱进行烘干。
2)向烘干后的所述试剂瓶分别送入2gPVDF-TrFE粉末、6gDMF和磁子后,密封所述试剂瓶。
3)采用多点智能磁力搅拌器,将所述试剂瓶中的混合液于加热70℃条件下搅拌6h,待所述混合液冷却后向所述混合液加入4g的丙酮,再次搅拌6h,配制得到浓度为20wt %的PVDF-TrFE溶液。
其中,DMF的液体密度为0.945-0.950g/ml,丙酮的液体密度为0.79g/ml。
步骤102,将所述PVDF-TrFE溶液分别送入连接有正电压和负电压的两个纺丝喷头同时进行静电纺丝,分别得到带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维。
在一个优选的实施例中,静电纺丝工序中所述两个纺丝喷头对所述PVDF-TrFE溶液的推进速度为0.3ml/h。
在一个优选的实施例中,一个纺丝喷头连接的电压为+20 kV,另一个纺丝喷头连接的电压为-20 kV。
步骤103,采用转动的锥形加捻器取向凝聚带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维并加捻,使得带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维在静电场及所述锥形加捻器的共同作用下形成圆锥形加捻三角区。
在一个优选的实施例中,所述锥形加捻器的直径为10.2cm,所述锥形加捻器的斜边长为8.5cm,所述锥形加捻器与所述导纱孔之间的距离为14cm,所述锥形加捻器的转速为0.1 r / s。
在一个优选的实施例中,各个纺丝喷头与锥形加捻器边缘之间的距离为20cm。
在一个优选的实施例中,纺丝喷头的喷嘴倾斜角度为28.2 o,各个纺丝喷头的喷嘴之间距离为40cm。
步骤104,将CNTY从所述锥形加捻器的中心引入所述圆锥形加捻三角区,使得所述CNTY在穿过所述圆锥形加捻三角区时,被带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维加捻于中心,得到PVDF-TrFE/CNTY复合纱,将所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱穿过导纱孔后由罗拉卷绕收集。
在一个优选的实施例中,所述罗拉的卷绕速度为0.15 cm/s。
需要说明的是,本发明还提供了该PVDF-TrFE/CNTY复合纱的制备装置,该制备装置的装置示意图如图2所示。在图2示出的PVDF-TrFE/CNTY复合纱的制备装置的装置示意图中,制备装置包括纺丝喷头210、锥形加捻器220、高压电源230、导纱孔240、罗拉250,其中,圆锥形加捻三角区为A,CNTY为B,PVDF-TrFE纳米纤维为C。
步骤105,采用电晕极化装置对所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱进行极化处理。
在一个优选的实施例中,所述电晕极化装置中的绝缘管直径为90 mm,所述绝缘管的内壁均匀插设有四枚钢针,所述四枚钢针位于同一水平面,各枚钢针的针尖与所述绝缘管内壁的长度为30 mm,针尖与所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱之间距离为15 mm,所述四枚钢针与高压直流电源的正极连接,所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱中心的CNTY与接地装置连接,使得所述四枚钢针的针尖与CNTY之间施加+5KV电压,极化处理时所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱的卷绕速度为0.5 m/min。
为了更好地说明该电晕极化装置,示出如图3所示的电晕极化装置的装置示意图,在图3中,电晕极化装置包括绝缘管310、钢针320、接地装置330、高压直流电源340,PVDF-TrFE/CNTY复合纱位于电晕极化装置的绝缘管310中心处,且PVDF-TrFE/CNTY复合纱中CNTY的一端与接地装置330相连接。
经过极化处理后, PVDF-TrFE纳米纤维的压电性能能够得到进一步地提高。
步骤106,采用磁控溅射设备在极化处理后的所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱表面溅射涂层铜纳米薄膜,得到Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱。
在一个优选的实施例中,所述采用磁控溅射设备在极化处理后的所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱表面溅射涂层铜纳米薄膜的工序参数包括:
采用靶材在下、基材在上的结构,靶材与极化处理后的所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱之间距离为80 mm;采用旋转基台的方法,样品架以100r/min的速度旋转;溅射时长为15min,溅射功率为120w。
其中,制备得到的Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的结构示意图如图4所示,在图4中,Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱由内至外依次包括CNTY410、PVDF-TrFE纳米纤维420和铜纳米薄膜430。
该Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱应用于柔性可穿戴电子设备,尤其是纺织制品中作为传感器,当Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱受机械外力变形时,PVDF-TrFE纳米纤维将形变转化成电信号,由铜纳米薄膜和CNTY作为两个电极将电信号导出。
需要说明的是,由于本发明提供的一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法制备得到的Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的压电结构较佳,其动能与电信号的转化效率较高,将其应用于柔性可穿戴电子设备后,可随时监测穿戴者的运动、呼吸、脉搏、心率等信号,通过这些监测信号不仅能方便穿戴者了解自己身体状况,有时也能帮助医生诊断病情,从而更好地为穿戴者服务。
比如,将编织有Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的织物裹在用户手腕后,采用Keithley 6514 静电计可测得用户的脉搏电信号为6 .01mV,将该脉搏信号数据与预设脉搏信号数据-健康数据对照表进行比对,即可获取用户身体相关健康数据。
综上所述,本发明提供的一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法,以PVDF-TrFE和CNTY作为原料,采用共轭静电纺丝技术制备得到以CNTY作为为芯纱,PVDF-TrFE为外包纱的PVDF-TrFE/CNTY复合纱,并将PVDF-TrFE/CNTY复合纱进行极化处理后表面溅射涂层Cu纳米粒子,从而使得制备得到的Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱具备优异的压电结构,该Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱应用于柔性可穿戴电子设备中,能够提高柔性可穿戴电子设备的穿戴舒适度,降低压电纤维嵌入柔性可穿戴电子设备给人体正常活动造成的异物感,且独特的压电结构能够提高机械能与电能之间的转换效率。
虽然,前文已经用一般性说明、具体实施方式及试验,对本发明做了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之进行修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
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及方法,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (9)

1.一种Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
称取2gPVDF-TrFE粉末溶于6gDMF和4g丙酮形成的混合溶剂中,配制得到浓度为20wt%的PVDF-TrFE溶液;
将所述PVDF-TrFE溶液分别送入连接有正电压和负电压的两个纺丝喷头同时进行静电纺丝,分别得到带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维;
采用转动的锥形加捻器取向凝聚带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维并加捻,使得带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维在静电场及所述锥形加捻器的共同作用下形成圆锥形加捻三角区;
将CNTY从所述锥形加捻器的中心引入所述圆锥形加捻三角区,使得所述CNTY在穿过所述圆锥形加捻三角区时,被带有正电荷的PVDF-TrFE纳米纤维和带有负电荷的PVDF-TrFE纳米纤维加捻于中心,得到PVDF-TrFE/CNTY复合纱,将所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱穿过导纱孔后由罗拉卷绕收集;
采用电晕极化装置对所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱进行极化处理,所述电晕极化装置中的绝缘管直径为90mm,所述绝缘管的内壁均匀插设有四枚钢针,所述四枚钢针位于同一水平面,各枚钢针的针尖与所述绝缘管内壁的长度为30mm,针尖与所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱之间距离为15mm,所述四枚钢针与高压直流电源的正极连接,所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱中心的CNTY与接地装置连接,使得所述四枚钢针的针尖与CNTY之间施加+5KV电压,极化处理时所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱的卷绕速度为0.5m/min;
采用磁控溅射设备在极化处理后的所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱表面溅射涂层铜纳米薄膜,得到Cu/PVDF-TrFE/CNTY复合压电纱。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述称取2gPVDF-TrFE粉末溶于6gDMF和4g丙酮形成的混合溶剂中,配制得到浓度为20wt%的PVDF-TrFE溶液,包括:
将试剂瓶、磁子、注射针管用去离子水清洗后置入烘箱进行烘干;
向烘干后的所述试剂瓶分别送入2gPVDF-TrFE粉末、6gDMF和磁子后,密封所述试剂瓶;
采用多点智能磁力搅拌器,将所述试剂瓶中的混合液于加热70℃条件下搅拌6h,待所述混合液冷却后向所述混合液加入4g的丙酮,再次搅拌6h,配制得到浓度为20wt%的PVDF-TrFE溶液。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述采用磁控溅射设备在极化处理后的所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱表面溅射涂层铜纳米薄膜的工序参数包括:
采用靶材在下、基材在上的结构,靶材与极化处理后的所述PVDF-TrFE/CNTY复合纱之间距离为80mm;
采用旋转基台的方法,样品架以100r/min的速度旋转;溅射时长为15min,溅射功率为120w。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,静电纺丝工序中所述两个纺丝喷头对所述PVDF-TrFE溶液的推进速度为0.3ml/h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,一个纺丝喷头连接的电压为+20kV,另一个纺丝喷头连接的电压为-20kV。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述锥形加捻器的直径为10.2cm,所述锥形加捻器的斜边长为8.5cm,所述锥形加捻器与所述导纱孔之间的距离为14cm,所述锥形加捻器的转速为0.1r/s。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,各个纺丝喷头与所述锥形加捻器边缘之间的距离为20cm。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,纺丝喷头的喷嘴倾斜角度为28.2°,各个纺丝喷头的喷嘴之间距离为40cm。
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述罗拉的卷绕速度为0.15cm/s。
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