CN110198144B - 一种可拉伸的能量转换纤维条及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可拉伸的能量转换纤维条及其制备方法，其包括两层可拉伸电极层，以及一层可拉伸聚合物层和一层可拉伸压电层，两层可拉伸电极层为可拉伸电极层A和可拉伸电极层B。利用本发明的可拉伸的能量转换纤维条交叉编织而成的织物，能够将人体肢体多自由度和大拉伸应变运动机械能转换成电能，可以作为可拉伸电能供给器件为可穿戴柔性电子产品提供电能。
Description
技术领域
本发明涉及纺织纤维技术领域，特别是涉及一种可拉伸的能量转换纤维条及其制备方法。
背景技术
随着柔性智能电子时代的到来，传统电池供电方式已经难以满足日益多元化的高弹性可穿戴电子终端的长期可靠供电需求，开发具有高功率密度、持久性和柔软舒适性的新型便携式电能供给器件是十分迫切的。考虑到人体运动机械能的清洁性和可再生性，将换能材料与人体服饰相结合形成智能发电织物，从人体运动中获取能量是实现便携式供能器件的最佳解决方案之一。但是，现有的大多数智能发电织物不具备多方向的机械拉伸性，不适用于人体肢体多自由度和大拉伸应变运动能量的采集，在一定程度上限制了智能发电织物产品的发展和商业推广。
针对上述情况，开发一种兼具高弹性和高输出性能的智能发电织物用以采集和转换人体运动机械能是一个亟待解决的问题。目前，基于人体机械能采集的可拉伸发电织物实现机理包含摩擦效应和压电效应两类，利用可拉伸换能材料和可拉伸电极实现能源转换发电。然而，单一换能机理的可拉伸发电织物具有能量转换效率低，环境适用性受限和工作频带窄等问题。因此，开发出一种基于压电-摩擦复合换能机理的可拉伸发电织物是十分有必要的，可以作为可拉伸电能供给器件为与之共形装配的可穿戴柔性电子产品提供电能。因此，获得可拉伸发电织物的关键是获得可拉伸的能量转换纤维条。
发明内容
本发明的目的是提供了一种可拉伸的能量转换纤维条。
本发明的另一目的是提供了该可拉伸的能量转换纤维条的制备方法。
本发明的可拉伸的能量转换纤维条包括两层可拉伸电极层，以及一层可拉伸聚合物层和一层可拉伸压电层，两层可拉伸电极层为可拉伸电极层A和可拉伸电极层B。
优选的，所述可拉伸压电层位于可拉伸电极层A和可拉伸电极层B之间，可拉伸电极层A上表面设置可拉伸聚合物层。
优选的，所述的可拉伸聚合物层为硅胶层。
本发明的可拉伸的能量转换纤维条的制备方法包括以下步骤：
(2)可拉伸电极材料的制备
将混炼胶与固化剂A按质量比100∶1.5-5在混炼机上混合1～3h；
将体积分数为40％～90％的镀银玻璃粉混入到基底材料中混入到基底材料中，在混炼机上混炼2h；
最后放入到磨具中，在155℃～200℃且15～40MPa下进行固化10～30min，制成可拉伸电极材料；
(2)一体式结构的可拉伸电极层A-可拉伸压电层-可拉伸电极层B的制备
将质量比为100∶1.5-5的混炼胶与固化剂A在混炼机上混合1～3h，形成可拉伸高分子聚合物基底材料；
将体积分数为40％～90％的压电陶瓷粉体混入到基底材料中，放入到模具中并在混炼机上混炼1～3h，制成压电复合材料；
将压电复合材料上表面和下表面分别放置步骤(1)制备的可拉伸电极材料，并将其放入到磨具中，在温度为155℃～200℃且压力为15～40MPa中固化10～30min，形成一体式结构的可拉伸电极层A-可拉伸压电层-可拉伸电极层B；
将制备的一体式结构的可拉伸电极层A-可拉伸压电层-可拉伸电极层B在100℃～160℃进行极化，其中可拉伸电极层A连接真空极化装置的正极，可拉伸电极层B连接真空极化装置的负极，极化电压为10～25kV/mm，极化时间为20～40min；
(3)在可拉伸电极层A表面设置可拉伸聚合物层
按照1∶1质量比将液态硅胶与固化剂B混合均匀，然后涂覆在步骤(2)制备一体式结构的可拉伸电极层A-可拉伸压电层-可拉伸电极层B的可拉伸电极层A的上表面；涂覆后并置于真空干燥箱中于70～110℃下干燥1～3h。
优选的，所述固化剂A为铂金固化剂，所述固化剂B为聚硅氧烷固化剂。
优选的，所述的混炼胶为拉伸强度≥8.5MPa的混炼硅橡胶。
优选的，所述的镀银玻璃粉为核壳结构。
优选的，所述的压电陶瓷粉体为钙钛矿结构的锆钛酸铅。
一种可拉伸的压电-摩擦复合发电织物，其是由多条权利要求1所述的可拉伸的能量转换纤维条横竖交叉编织而成。所述的横竖交叉编织是将可拉伸能量转换纤维条以经纬为基础，经可拉伸能量转换纤维条和纬可拉伸能量转换纤维条每隔一根就交织一次，互相连续构成结实耐用、整齐均匀的织物。当人体在运动时，会有外作用力施加在可拉伸压电-摩擦复合发电织物，压电发电单元和摩擦发电单元均产生电信号，并实现压电-摩擦复合协同工作机制，通过导线分别连接所有可拉伸能量转换纤维条的可拉伸电极层A和可拉伸电极层B，并与外电路进行连接。
优选的，所述横竖交叉编织时每个编织交叉节点都是可拉伸电极层B在上，可拉伸聚合物层在下。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：利用本发明可拉伸的能量转换纤维条制备的可拉伸压电-摩擦复合发电织物，其压电发电单元和摩擦发电单元均具有优良的可拉伸性能，在收集人体肢体多自由度和大拉伸应变机械能时，不会给人体带来束缚，即该发电织物具有灵活性和轻便性；
本发明利用压电效应和摩擦效应复合协同工作机理来实现机械能到电能的转换，解决了单一换能机理的可拉伸发电织物具有能量转换效率低，环境适用性受限和工作频带窄等问题；
本发明利用可拉伸高分子材料作为弹性基底，将功能材料作为填充物混入到弹性基底中形成复合材料，制备方法简单，工艺流程可控。同时，利用横竖交叉编织方法将带有可拉伸聚合物层的压电发电单元进行编织，易于与服装进行集成制造，成本低，可实现大规模批量化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的可拉伸的能量转换纤维条的结构示意图；
图2为本发明制备的可拉伸的压电-摩擦复合发电织物结构示意图；
附图序号说明：1为织物中纵向可拉伸的能量转换纤维条，2为织物中横向可拉伸的能量转换纤维条，3为可拉伸聚合物层，4为可拉伸电极层A，5为可拉伸压电层，6为可拉伸电极层B。
图3为在一个拉伸-释放周期内，织物中横向和纵向可拉伸的能量转换纤维条的压电-摩擦复合协同工作机理示意图；
图4为本发明的织物应用在人体胳膊关节处，胳膊弯曲-释放90°时的压电单元、摩擦单元和压电-摩擦复合输出电压；
图5为本发明织物应用在人体胳膊关节处，胳膊弯曲-释放90°时的压电单元、摩擦单元和压电-摩擦复合输出电流。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
一种可拉伸的能量转换纤维条，其结构示意图如图1所示，包括两层可拉伸电极层，以及一层可拉伸聚合物层和一层可拉伸压电层，两层可拉伸电极层为可拉伸电极层A和可拉伸电极层B。所述可拉伸压电层位于可拉伸电极层A和可拉伸电极层B之间，可拉伸电极层A上表面设置可拉伸聚合物层，所述的可拉伸聚合物层为硅胶层。
该可拉伸的能量转换纤维条的制备方法包括以下步骤：
(1)按照100∶1.5的质量比将拉伸强度≥8.5MPa的混炼硅橡胶与铂金固化剂在混炼机上混合1个小时，形成可拉伸高分子聚合物基底材料，之后，将体积分数为70％的壳核结构镀银玻璃球粉混入到基底材料中，在混炼机上混炼2个小时后，放入到6cm*6cm*0.5mm的磨具中，通过175℃，20兆帕的平板硫化机固化10分钟，制成可拉伸电极材料；
(2)按照100∶1.5的质量比将拉伸强度≥8.5MPa的混炼硅橡胶与铂金固化剂在混炼机上混合1个小时，形成可拉伸高分子聚合物基底材料，之后，将体积分数为75％的钙钛矿结构锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷粉体混入到基体材料中，在混炼机上混炼2个小时后，将压电复合材料放入到5cm*5cm*2mm的磨具中，并将制备完成的可拉伸电极层A和可拉伸电极层B分别放置在压电复合材料的两端，通过175℃，20兆帕的平板硫化机固化10分钟，形成可拉伸电极层与可拉伸压电层的一体式结构。将可拉伸压电发电单元在150℃的真空极化装置中进行极化，其中可拉伸电极层A连接真空极化装置的正极端，可拉伸电极层B连接真空极化装置的地端，极化电压为20kV/mm，极化时间为30分钟。
(3)按照1∶1质量比将液态硅胶与聚硅氧烷固化剂混合均匀，利用可调式涂抹器将硅胶混合物涂在可拉伸压电发电单元的可拉伸电极层A，其体积为5cm*5cm*300μm。放置在抽气真空箱中抽真空20分钟后，在80℃真空干燥箱中放置2个小时实现固化，在可拉伸电极层A上表面制成可拉伸聚合物层，即制成本发明的可拉伸的能量转换纤维条。
一种可拉伸的压电-摩擦复合发电织物，其结构示意图如图2，将制成的可拉伸的能量转换纤维条裁剪成宽度为1cm的纤维条，利用横竖交叉编织方法实现横向可拉伸能量转换纤维条和纵向可拉伸能量转换纤维条每隔一根就交织一次，确保每个编织交叉节点都是可拉伸电极层B在上，可拉伸聚合物层在下。
将制备的可拉伸的压电-摩擦复合发电织物进行性能测试，即将其与外电路连接，通过导线分别连接所有可拉伸能量转换纤维条的可拉伸电极层A和可拉伸电极层B，当人体在运动时，会有外作用力施加在可拉伸压电-摩擦复合发电织物，压电发电单元和摩擦发电单元均产生电信号，通过增加共享电极可拉伸电极层B的电荷密度，提升能源转换效率，产生的电能通过导线输与外电路连接进行输出。
图3为在一个拉伸-释放周期内，本发明的织物中横向和纵向可拉伸的能量转换纤维条的压电-摩擦复合协同工作机理示意图，可以看出在拉伸过程中，横向和纵向可拉伸能量转换纤维条内的压电单元产生电信号，电子流动方向是从一根纤维条的可拉伸电极层B流向该纤维条的可拉伸电极层A；摩擦单元产生电信号，电子流动方向是从一根纤维条可拉伸电极层B流向与其交叉的另一根纤维条的可拉伸电极层A，增加中间共享可拉伸电极层B的正电荷密度。
在释放过程中，横向和纵向可拉伸能量转换纤维条内的压电单元会产生相反电信号，电子流动方向是从一根纤维条的可拉伸电极层A流向该纤维条的可拉伸电极层B；摩擦单元产生电信号，电子流动方向是从一根纤维条的可拉伸电极层A流向与其交叉的另一根纤维条的可拉伸电极层B，增加中间共享可拉伸电极层B的负电荷密度。
在周期性的拉伸-释放运动中，通过压电-摩擦复合协同工作机制，增加共享电极可拉伸电极层B的电荷密度，提升电信号输出性能。
图4和图5分别为实例中的面积为5cm*5cm可拉伸压电-摩擦复合发电织物应用在人体胳膊关节处，胳膊弯曲-释放90°时的压电单元、摩擦单元和压电-摩擦复合输出电压和输出电流。由图4和图5可知，可拉伸压电-摩擦复合发电织物的输出电压值和输出电流值比单独的压电单元和摩擦单元的输出值要大，即通过压电-摩擦复合协同工作机理提升可拉伸压电-摩擦复合发电织物的电输出性能。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种可拉伸的能量转换纤维条，其特征在于，包括两层可拉伸电极层，以及一层可拉伸聚合物层和一层可拉伸压电层，两层可拉伸电极层为可拉伸电极层A和可拉伸电极层B，
所述可拉伸的能量转换纤维条的制备方法包括以下步骤：
(1)可拉伸电极材料的制备
将混炼胶与固化剂A按质量比100∶1.5-5在混炼机上混合1～3h；
将体积分数为40％～90％的镀银玻璃粉混入到基底材料中，在混炼机上混炼2h；
最后放入到模具中，在155℃～200℃且15～40MPa下进行固化10～30min，制成可拉伸电极材料；
(2)一体式结构的可拉伸电极层A-可拉伸压电层-可拉伸电极层B的制备
将质量比为100∶1.5-5的混炼胶与固化剂A在混炼机上混合1～3h，形成可拉伸高分子聚合物基底材料；
将体积分数为40％～90％的压电陶瓷粉体混入到基底材料中，放入到模具中并在混炼机上混炼1～3h，制成压电复合材料；
将压电复合材料上表面和下表面分别放置步骤(1)制备的可拉伸电极材料，并将其放入到模具中，在温度为155℃～200℃且压力为15～40MPa中固化10～30min，形成一体式结构的可拉伸电极层A-可拉伸压电层-可拉伸电极层B；
将制备的一体式结构的可拉伸电极层A-可拉伸压电层-可拉伸电极层B在100℃～160℃进行极化，其中可拉伸电极层A连接真空极化装置的正极，可拉伸电极层B连接真空极化装置的负极，极化电压为10～25kV/mm，极化时间为20～40min；
(3)在可拉伸电极层A表面设置可拉伸聚合物层
按照1∶1质量比将液态硅胶与固化剂B混合均匀，然后涂覆在步骤(2)制备的一体式结构的可拉伸电极层A-可拉伸压电层-可拉伸电极层B中的可拉伸电极层A的上表面；涂覆后并置于真空干燥箱中于70～110℃下干燥1～3h，
所述固化剂A为铂金固化剂，所述固化剂B为聚硅氧烷固化剂。
2.根据权利要求1所述的可拉伸的能量转换纤维条，其特征在于，所述可拉伸压电层位于可拉伸电极层A和可拉伸电极层B之间，可拉伸电极层A上表面设置可拉伸聚合物层。
3.根据权利要求1所述的可拉伸的能量转换纤维条，其特征在于，所述的可拉伸聚合物层为硅胶层。
4.根据权利要求1所述的可拉伸的能量转换纤维条，其特征在于，所述的混炼胶为拉伸强度≥8.5MPa的混炼硅橡胶。
5.根据权利要求1所述的可拉伸的能量转换纤维条，其特征在于，所述的镀银玻璃粉为核壳结构。
6.根据权利要求1所述的可拉伸的能量转换纤维条，其特征在于，所述的压电陶瓷粉体为钙钛矿结构的锆钛酸铅。
7.一种可拉伸的压电-摩擦复合发电织物，其特征在于，其是由多条权利要求1所述的可拉伸的能量转换纤维条横竖交叉编织而成。
8.根据权利要求7所述的可拉伸的压电-摩擦复合发电织物，其特征在于，所述横竖交叉编织时每个编织交叉节点都是可拉伸电极层B在上，可拉伸聚合物层在下。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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