CN110863306A - 一种功能电子织物的织造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种功能电子织物的织造方法，其特征在于：用面线将表面包裹半导体材料的纤维电极采用钉线绣工艺固定在高柔性的底布上；所述面线或/和底布中含有导电纤维，所述表面包裹半导体材料的纤维电极与面线或/和底布中的导电纤维形成交错节点。提高可穿戴电子设备的柔性、透光性、透气性、丰富其外观形态。

Description

一种功能电子织物的织造方法

技术领域

本发明涉及一种功能电子织物的织造方法，属于可穿戴电子技术领域。

背景技术

在电子产品发展日新月异的今天，可穿戴电子技术已经成为当前发展的潮流趋势。随着可穿戴电子产品给我们生活带来巨大变革的同时，对与之相匹配的柔性电子设备需求日益突出。但传统功能器件以硬性平板式结构为主，不可避免地存在抗外力能力欠佳，受空间限制大等结构性不足，制约了产品多样性设计和大面积电池模块的运输、安装及使用等。

近年来，以柔性纤维太阳能电池等为代表的新型柔性能源器件的出现，将使电池基底不再局限于昂贵的透明导电玻璃，不仅降低柔性器件成本，且可与当今纺织技术混合使用来制备太阳能电池纺织品，已引起各界的广泛关注。由于传统的半导体器件在组装时都是由两块面积相当的电极面对面贴合而成，而织物器件中纤维形态的电极是相互交错的，这就要求器件组装工艺的巨大改变。再者，传统编织方式的经纬线通常均为单一材质的纤维，与织物器件中的纤维电极在承拉强度等方面差异较大。此外，已经报道的织物器件多采用直接交错编织的方式，存在电气连接不稳定、透光透气性较差等问题，舒适性有待提高。因此，不能简单沿用传统纺织工业的织布技术来编织太阳能电池和其它功能器件，这就给此类智能织物带来了巨大挑战。

因此，研发一种具有轻薄、柔软、可穿戴、可折叠、透气性好等优良性质的功能电子织物，能够通过对针织线迹的设计，丰富产品的外观多样性以及功能，并且可大规模生产应用的方法成了本领域重要研究的课题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种功能电子织物的织造方法，提高可穿戴电子设备的柔性、透光性、透气性、丰富其外观形态。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种功能电子织物的织造方法，其特征在于：用面线将表面包裹半导体材料的纤维电极采用钉线绣工艺固定在高柔性的底布上；所述面线或/和底布中含有导电纤维，所述表面包裹半导体材料的纤维电极与面线或/和底布中的导电纤维形成交错节点。

表面包裹半导体材料的纤维电极与面线或/和底布中的导电纤维形成交错节点构成具有半导体电子功能的器件单元，器件单元之间的电气连接通过面线或底布中的导电纤维实现。

现有织物器件采用的梭织方式编织，表面包裹半导体材料的纤维电极与导电纤维在一个单元节点处只相交一次，容易松动或滑动。本发明采用钉线绣的方法，在一个单元节点处，表面包裹半导体材料的纤维电极可靠地夹在面线与底布两者之间，不易松动，从而解决了电气连接不稳定的问题。

在现有织物器件所采用的梭织方式中，织物直接由表面包裹半导体材料的纤维电极构成，其纤维的柔软性以及编织密度等都受到限制。在本发明的技术方案中，底布可以选择更加轻柔的或者更加透明的布料，表面包裹半导体材料的纤维电极在底布上的分布方式也更加灵活，从而使最终的功能电子织物具有更好的透光及透气性。

上述方案中：所述面线为导电纤维；

或为由导电纤维与普通不导电纤维共捻为一股后得到的纤维。

上述方案中：所述导电纤维为导电的金属丝或碳纤维；

或所述导电纤维为在纤维表面包覆导电金属或导电氧化物或碳材料得到的纤维材料，所述导电纤维的直径为0.01mm—0.5mm。

上述方案中：含有导电纤维的底布为导电的金属网；

或含有导电纤维的底布为表面镀覆金属的网或织物；

或含有导电纤维的底布为由表面包覆导电材料的不导电高分子纤维制成的网或织物，所述导电材料为导电金属或导电氧化物或碳材料；

或含有导电纤维的底布为导电纤维与绝缘高分子纤维共同编织而成的网或织物；所述导电纤维为导电的金属丝或碳纤维；

或所述导电纤维为在纤维表面包覆导电金属或导电氧化物或碳材料得到的纤维材料，所述导电纤维的直径为0.01mm—0.5mm。

上述方案中：所述表面包裹半导体材料的纤维电极的半导体材料为N型半导体材料或P型半导体材料，或者是N型半导体材料和P型半导体材料的多层叠加。

所述面线还可以为棉线或麻线或涤纶纤维或腈纶纤维或丙纶纤维或维纶纤维或氯纶纤维或锦纶纤维或环氧树脂纤维或酚醛塑料纤维或二苯醚纤维或有机硅纤维或聚碳酸酯纤维或橡胶纤维或纸纤维或蚕丝纤维或聚四氟乙烯纤维；

所述底布还可以为棉线或麻线或涤纶纤维或腈纶纤维或丙纶纤维或维纶纤维或氯纶纤维或锦纶纤维或环氧树脂纤维或酚醛塑料纤维或二苯醚纤维或有机硅纤维或聚碳酸酯纤维或橡胶纤维或纸纤维或蚕丝纤维或聚四氟乙烯纤维织成的布。

上述方案中：所述表面包裹半导体材料的纤维电极的纤维基底为导电基底或者是在不导电基底外包裹导电材料得到的导电基底，所述纤维基底的直径为1μm-5mm。

上述方案中：所述纤维基底为导电金属丝或复合导电金属纤维丝或碳纤维，

或纤维基底为在绝缘高分子纤维表面包覆导电金属或导电氧化物或碳材料得到的纤维。

上述方案中：所述表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的光阳极，其导电纤维基底为导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，半导体材料为硅、染料敏化的纳米氧化物、钙钛矿、铜铟镓硒、砷化镓、硫化镉、硒化镉、碘化铜中的一种；

或所述表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的蓄能电池，其导电纤维基底为导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，在纤维基底上包裹的半导体材料为二氧化锰、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂和四氧化钴中的一种；

或所述表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的超级电容器，其导电纤维基底为导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，在纤维基底上包裹的半导体材料为石墨烯或过度金属氧化物、氢氧化物或导电聚合物；

或所述表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的热电器件，其导电纤维基底为导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，在纤维基底上包裹的半导体材料为Bi₂Te₃、NaCo₂O₄、Bi₂Sr₃Co₂O_x、Ca₃Co₄O₉、Ca₂Co₂O₅、ZnMgR(R＝Tb、Dy、Er)、PbTe、CrSi₂、MnSi_1.73、FeSi₂、CoSi中的一种。

上述方案中：用面线将表面包裹半导体材料的纤维电极采用钉线绣工艺固定在高柔性的底布上的具体操作步骤为：

1)将面线拉出，并经过松紧调节后，穿过机针上的针孔；

2)将表面包裹半导体材料的纤维电极按照预先设定的花纹样式置于底布上面；

3)机针带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，与此同时底布下方的缠绕底线的手轮旋转，面线与底线形成一个结套；

4)机针带着面线向上移动，退出底布，并收紧面线，其中，面线与底布的接触压力范围为0.5N—50N；

5)根据预先设定的线迹方式，将表面包裹半导体材料的纤维电极与底布一起移动一小步；

6)面线从上方绕过表面包裹半导体材料的纤维电极后机针再次带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，形成一个结套，形成一定的线迹；

7)不断重复4)-6)步骤，则可将表面包裹半导体材料的纤维电极钉绣于底布之上,从而形成所需的功能电子织物。

有益效果：本发明的技术方案与现有的电子织物相比具有以下好处：

(1)本发明的功能电子织物织造方法，通过钉线绣的方式将功能性器件与柔性布料相结合，该方法操作简单，对设备的要求不高，生产成本相对低廉，并能够进行大规模的生产应用。

(2)本发明所制得的纺织品可以采取更加灵活的线迹纹路等，使具有丰富的外观多样性设计，还具有可折叠、透气性好、透光性佳等优良特性。

(3)本发明所制得的纺织品中，可以通过不同针织线迹的设计来调整导电纤维的布线，使纺织品具有电子电路集成定制等多功能性以及各种不同的花纹。

附图说明

图1为钉线绣过程示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1--染料敏化太阳能电池织物的制备

通过水热法在表面镀锰的铜丝上生长N型氧化锌纳米颗粒层。然后，在其上吸附联吡啶钌N719染料并涂覆P型CuI材料，即得到固态柔性染料敏化太阳能电池的光阳极纤维。单根光阳极的直径为0.2mm。

选取表面包裹有Au的铜丝作为面线，其直径为0.05mm。

选取不导电的普通棉布做底布。

制作工艺为：

1、将面线拉出，并经过松紧调节后，穿过机针上的针孔。

2、将光阳极纤维按照预先设定的花纹样式置于底布上面。

3、机针带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，与此同时底布下方的缠绕底线的手轮旋转一圈，面线与底线形成一个结套。

4、机针带着面线向上移动，退出底布，并收紧面线，其中，面线与底布的接触压力为2.25N。

5、根据预先设定的线迹方式，将光阳极纤维与底布一起移动一小步。

6、面线从上方绕过光阳极纤维后机针再次带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，形成一个结套，形成一定的线迹。

7、不断重复上述4-6步骤，则可将光阳极纤维钉绣于底布之上,从而形成所需的染料敏化太阳能电池织物。

在标准光源(100mW·cm^-2)下进行测试，测得的染料敏化太阳能电池织物的光电流为160μA，光电压为0.42V，且在180°的弯折角度下仍能保持98％的光电性能。

实施例2--染料敏化太阳能电池织物的制备

通过水热法在银丝上生长N型氧化锌纳米颗粒层。然后，在其上吸附联吡啶钌N719染料并涂覆P型钙钛矿材料，即得到固态柔性染料敏化太阳能电池的光阳极纤维。单根光阳极的直径为0.3mm。

选取碳纤维与涤纶纤维共捻为一股纤维作为面线，其直径为0.5mm。

选取不锈钢网做底布。

制作工艺为：

1、将面线拉出，并经过松紧调节后，穿过机针上的针孔。

2、将光阳极纤维按照预先设定的花纹样式置于底布上面。

3、机针带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，与此同时底布下方的缠绕底线的手轮旋转一圈，面线与底线形成一个结套。

4、机针带着面线向上移动，退出底布，并收紧面线，其中，面线与底布的接触压力为5N。

5、根据预先设定的线迹方式，将光阳极纤维与底布一起移动一小步。

6、面线从上方绕过光阳极纤维后机针再次带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，形成一个结套，形成一定的线迹。

7、不断重复上述4-6步骤，则可将光阳极纤维钉绣于底布之上,从而形成所需的染料敏化太阳能电池织物。

在标准光源(100mW·cm^-2)下进行测试，测得的染料敏化太阳能电池织物的光电流为170μA，光电压为0.5V，且在180°的弯折角度下仍能保持97％的光电性能。

实施例3—储能织物的制备

通过提拉法制备包覆MnO₂的碳纤维，直径为0.2mm。

并打磨Zn丝作为面线，单根纤维的直径为0.3mm。

选取不导电的普通纱布做底布。

制作工艺为：

1、将面线拉出，并经过松紧调节后，穿过机针上的针孔。

2、按照钉线绣的方式将包覆MnO₂的碳纤维按照预先设定的花纹样式置于底布上面。

3、机针带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，与此同时底布下方的缠绕底线的手轮旋转一圈，面线与底线形成一个结套。

4、机针带着面线向上移动，退出底布，并收紧面线，其中，面线与底布的接触压力为0.5N。

5、根据预先设定的线迹方式，将包覆MnO₂的碳纤维与底布一起移动一小步。

6、面线从上方绕过包覆MnO₂的碳纤维后机针再次带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，形成一个结套，形成一定的线迹。

7、不断重复上述4-6步骤，则可将包覆MnO₂的碳纤维钉绣于底布之上,从而形成所需的储能织物。

该织物在性能测试中，其工作电压窗口可达1.5V，1.81mWh cm^-3的高能量密度，经过500次循环，容量保持率仍为88％。

实施例4—储能织物的制备

制备包覆镍钴锰酸锂的不锈钢丝，直径为0.15mm。

普通棉线作为面线，直径为0.1mm。

镍丝与芳纶纤维共同编织而成的网作为底布。

制作工艺为：

1、将面线拉出，并经过松紧调节后，穿过机针上的针孔。

2、按照钉线绣的方式将包覆镍钴锰酸锂的不锈钢丝按照预先设定的花纹样式置于底布上面。

3、机针带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，与此同时底布下方的缠绕底线的手轮旋转一圈，面线与底线形成一个结套。

4、机针带着面线向上移动，退出底布，并收紧面线，其中，面线与底布的接触压力为0.5N。

5、根据预先设定的线迹方式，将包覆镍钴锰酸锂的不锈钢丝与底布一起移动一小步。

6、面线从上方绕过包覆镍钴锰酸锂的不锈钢丝后机针再次带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，形成一个结套，形成一定的线迹。

7、不断重复上述4-6步骤，则可将包覆镍钴锰酸锂的不锈钢丝钉绣于底布之上,从而形成所需的储能织物。

该织物在性能测试中，其工作电压窗口可达1.62V，1.91mWh cm^-3的高能量密度，经过500次循环，容量保持率仍为89％。

实施例5—储能织物的制备

制备包覆四氧化三钴的镍丝，直径为0.4mm。

普通棉线作为面线，直径为0.2mm。

铜丝与环氧树脂纤维共同编织而成的网作为底布。

制作工艺为：

1、将面线拉出，并经过松紧调节后，穿过机针上的针孔。

2、按照钉线绣的方式将包覆四氧化三钴的镍丝按照预先设定的花纹样式置于底布上面。

3、机针带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，与此同时底布下方的缠绕底线的手轮旋转一圈，面线与底线形成一个结套。

4、机针带着面线向上移动，退出底布，并收紧面线，其中，面线与底布的接触压力为0.5N。

5、根据预先设定的线迹方式，将包覆四氧化三钴的镍丝与底布一起移动一小步。

6、面线从上方绕过包覆四氧化三钴的镍丝后机针再次带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，形成一个结套，形成一定的线迹。

7、不断重复上述4-6步骤，则可将包覆四氧化三钴的镍丝钉绣于底布之上,从而形成所需的储能织物。

该织物在性能测试中，其工作电压窗口可达1.55V，1.95mWh cm^-3的高能量密度，经过500次循环，容量保持率仍为85％。

实施例6—超级电容器织物的制备

通过电子束沉积在碳纤维上均匀沉积一层金属Ni，再通过浸泡GO分散液并用水合肼还原得到C/Ni/rGO复合纤维，进一步化学浴沉积MnO₂得到C/Ni/rGO/MnO₂复合纤维，PVA/KOH凝胶作为电解质和隔膜组装非对称纤维状柔性超级电容器。单根纤维的直径为0.1mm。

选取表面C/Ni/rGO复合纤维作为面线，其直径为0.1mm。

选取碳纤维和尼龙共同编织布料做底布。

将面线拉出，并经过松紧调节后，穿过机针上的针孔。将C/Ni/rGO/MnO2复合纤维按照预先设定的花纹样式置于底布上面。机针带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，与此同时底布下方的缠绕底线的手轮旋转一圈，面线与底线形成一个结套。机针带着面线向上移动，退出底布，并收紧面线，其中，面线与底布的接触压力范围为3.0N。

根据预先设定的线迹方式，将C/Ni/rGO/MnO2复合纤维与底布一起移动一小步。

面线从上方绕过C/Ni/rGO/MnO2复合纤维后再次使机针带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，形成一个结套，并形成一定的线迹。不断重复上述步骤，则可将C/Ni/rGO/MnO2复合纤维钉绣于底布之上,从而形成所需的超级电容器织物。

该织物在性能测试中，其工作电压窗口可达1.8V，超高的倍率性能(20V/s的扫速下仍然稳定工作)，1.81mWh cm-3的高能量密度，经过5000次循环，容量保持率仍为88.3％。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明,如：

当表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的光阳极，其导电纤维基底可以为其他导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，半导体材料为硅、染料敏化的纳米氧化物、钙钛矿、铜铟镓硒、砷化镓、硫化镉、硒化镉、碘化铜中的一种。

当表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的蓄能电池，其导电纤维基底可以为其他导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，在纤维基底上包裹的半导体材料为二氧化锰、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂和四氧化钴中的一种。

当表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的超级电容器，其导电纤维基底可以为其他导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，在纤维基底上包裹的半导体材料为石墨烯或过度金属氧化物、氢氧化物或导电聚合物。

表面包裹半导体材料的纤维电极还可以为具有纤维结构的热电器件，其导电纤维基底为导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，在纤维基底上包裹的半导体材料为Bi₂Te₃、NaCo₂O₄、Bi₂Sr₃Co₂O_x、Ca₃Co₄O₉、Ca₂Co₂O₅、ZnMgR(R＝Tb、Dy、Er)、PbTe、CrSi₂、MnSi_1.73、FeSi₂、CoSi中的一种。

对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种功能电子织物的织造方法，其特征在于：用面线将表面包裹半导体材料的纤维电极采用钉线绣工艺固定在高柔性的底布上；所述面线或/和底布中含有导电纤维，所述表面包裹半导体材料的纤维电极与面线或/和底布中的导电纤维形成交错节点。

2.根据权利要求1所述功能电子织物的织造方法，其特征在于：所述面线为导电纤维；

或为由导电纤维与普通不导电纤维共捻为一股后得到的纤维。

3.根据权利要求2所述功能电子织物的织造方法，其特征在于：所述导电纤维为导电的金属丝或碳纤维；

或所述导电纤维为在纤维表面包覆导电金属或导电氧化物或碳材料得到的纤维材料，所述导电纤维的直径为0.01mm—0.5mm。

4.根据权利要求1所述功能电子织物的织造方法，其特征在于：含有导电纤维的底布为导电的金属网；

或含有导电纤维的底布为表面镀覆金属的网或织物；

或含有导电纤维的底布为由表面包覆导电材料的不导电高分子纤维制成的网或织物，所述导电材料为导电金属或导电氧化物或碳材料；

或含有导电纤维的底布为导电纤维与绝缘高分子纤维共同编织而成的网或织物；所述导电纤维为导电的金属丝或碳纤维；

或所述导电纤维为在纤维表面包覆导电金属或导电氧化物或碳材料得到的纤维材料，所述导电纤维的直径为0.01mm—0.5mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述功能电子织物的织造方法，其特征在于：所述半导体材料为N型半导体材料或P型半导体材料，或者是N型半导体材料和P型半导体材料的多层叠加。

6.根据权利要求5所述功能电子织物的织造方法，其特征在于：所述表面包裹半导体材料的纤维电极的纤维基底为导电基底或者是在不导电基底外包裹导电材料得到的导电基底，所述纤维基底的直径为1μm-5mm。

7.根据权利要求6所述功能电子织物的织造方法，其特征在于：所述纤维基底为导电金属丝或复合导电金属纤维丝或碳纤维，

或纤维基底为在绝缘高分子纤维表面包覆导电金属或导电氧化物或碳材料得到的纤维。

8.根据权利要求6所述功能电子织物的织造方法，其特征在于：

所述表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的光阳极，其导电纤维基底为导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，半导体材料为硅、染料敏化的纳米氧化物、钙钛矿、铜铟镓硒、砷化镓、硫化镉、硒化镉、碘化铜中的一种；

或所述表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的蓄能电池，其导电纤维基底为导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，在纤维基底上包裹的半导体材料为二氧化锰、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂和四氧化钴中的一种；

或所述表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的超级电容器，其导电纤维基底为导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，在纤维基底上包裹的半导体材料为石墨烯或过度金属氧化物、氢氧化物或导电聚合物；

或所述表面包裹半导体材料的纤维电极为具有纤维结构的热电器件，其导电纤维基底为导电金属纤维丝或复合导电金属纤维丝，在纤维基底上包裹的半导体材料为Bi₂Te₃、NaCo₂O₄、Bi₂Sr₃Co₂O_x、Ca₃Co₄O₉、Ca₂Co₂O₅、ZnMgR(R＝Tb、Dy、Er)、PbTe、CrSi₂、MnSi_1.73、FeSi₂、CoSi中的一种。

9.根据权利要求1所述功能电子织物的织造方法，其特征在于：

用面线将表面包裹半导体材料的纤维电极采用钉线绣工艺固定在高柔性的底布上的具体操作步骤为：

1)将面线拉出，并经过松紧调节后，穿过机针上的针孔；

2)将表面包裹半导体材料的纤维电极按照预先设定的花纹样式置于底布上面；

3)机针带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，与此同时底布下方的缠绕底线的手轮旋转，面线与底线形成一个结套；

4)机针带着面线向上移动，退出底布，并收紧面线，其中，面线与底布的接触压力范围为0.5N—50N；

5)根据预先设定的线迹方式，将表面包裹半导体材料的纤维电极与底布一起移动一小步；

6)面线从上方绕过表面包裹半导体材料的纤维电极后机针再次带着面线向下移动，穿过底布并与底布下方的底线相交，形成一个结套，形成一定的线迹；

7)不断重复4)-6)步骤，则可将表面包裹半导体材料的纤维电极钉绣于底布之上,从而形成所需的功能电子织物。

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