CN111135725A - 一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵及制备方法和应用，该电渗泵包括驱动电极，设置于所述正极驱动电极和负极驱动电极之间的径迹蚀刻薄膜，以及分别与所述正极驱动电极和负极驱动电极进行通电连接的驱动电源。所述驱动电极包括正极驱动电极和负极驱动电极；所述正极驱动电极和所述负极驱动电极都为层膜状柔性导电纺织纤维材料制成；所述径迹蚀刻薄膜为电绝缘微孔薄膜；所述驱动电源为低压直流电源。本发明提供的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵的结构简单、制作方便且应用广泛，该电渗泵在1V的驱动电压下即可驱动液体运动，无气泡产生，使得液体可以持续传输，且通量可达到18.13mg min^‑1cm^‑2。本发明可应用于智能可穿戴和定向导湿领域。

Description

一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及液体传输及智能可穿戴技术领域，具体涉及一种柔性非对称电极开放式低压高通量定向导湿纺织基电渗泵及其在制备方法及制备方法和智能可穿戴的应用。

背景技术

织物的导湿性是影响服装舒适性的重要因素，如果人体分泌汗液过多，织物不能迅速将汗液导向织物外表面并蒸发，人体不仅会产生不舒适感，而且会滋生细菌产生异味，威胁人体健康。因此，怎样使汗液从织物内层迅速传导到外层且尽可能快的蒸发掉，并使外层的汗液不回流到内层，成为导湿领域的重要研究方向。目前，单向导湿织物是解决快速导湿问题的主要解决途径和纺织品。单向导湿织物的正反两面导湿性能存在明显差异，通过织物内外层材料亲、疏水性的差异，即织物内层大部分疏水小部分亲水，汗液从织物内层的小部分亲水部位传输到织物亲水性的外层，并在外层快速蒸发。但是单向导湿过程是被动、非连续性的，无法对导湿过程、方向及通量进行明确的可控操作，所以，在智能服装中的应用具有一定的局限性。

电渗泵是一种非机械式的微型泵，作为微流体系统的关键执行器，被用于高效液相色谱仪、微全分析系统、片上实验系统、微冷却系统、微量给药装置、微机械器件流体驱动等场合，是微系统输出压力和流量的液压致动元件。与其他微机械泵相比，电渗泵存在以下优点：无需止回阀、活塞等可移动机械部件，微加工工艺简单，器件可靠性高，容易与其他微器件集成；高压性能好，已有能够产生最高流体压力达2MPa和30MPa的多孔介质电渗泵的报道，而其他类型的泵通常仅能提供0.1MPa左右的最高压力；驱动流体范围宽广，如乙腈、去离子水和缓冲高导电水溶液等；驱动力的施加是连续的，压力输出无脉动；驱动力直接作用于流体，流速平滑，可以获得更好的控制性能，尤其是在液体传输中，传输量可以精确控制。但电渗泵的实用化还存在一些难题。高压、高流量电渗泵需要很高的驱动电压(通常大于1kV)，焦耳热产生量很高，热动力效率低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵及制备方法和应用，其结构简单、制作方便且应用广泛，该电渗泵在1V的驱动电压下即可驱动液体运动，无气泡产生，使得液体可以持续传输，且通量可达到18.13mg min^-1cm^-2，解决了现有的电渗泵驱动所需电压高，通量低，焦耳热产生量很高，热动力效率低，实用化存在困难的问题。本发明对导湿过程、方向及通量均可实时在线控制，具备柔性好、性能稳定的特点，同时其耐久性也比较良好，可以应用于鞋垫、医用床垫以及运动服装等领域，但不仅限于此，具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵，包括

驱动电极；所述驱动电极包括正极驱动电极和负极驱动电极；所述正极驱动电极和所述负极驱动电极都为层膜状柔性导电纺织纤维材料制成；

设置于所述正极驱动电极和负极驱动电极之间的径迹蚀刻薄膜；所述径迹蚀刻薄膜为电绝缘微孔薄膜；

分别与所述正极驱动电极和负极驱动电极进行电连接的驱动电源；所述驱动电源为低压直流电源。

本发明原理：基于电渗透原理，使电解质溶液与微孔通道接触时，在固体表面形成带净电荷的液体薄膜(双电子层)，带电液体相对于壁面做切向的整体流动为电渗流，主要用来驱动和控制微通道极性液体流动。双电层的产生是基于界面化学原理。固体材料与电解液相接触时，会产生复杂的电化学反应，使固体产生表面电荷。表面电荷吸引电解液中与之对应的抗衡离子，使其紧贴于固体表面，形成了紧密层。该层厚度约1～2离子，离子脱水，在外加电场作用下不可移动。紧密层之外一定区域内，表面电荷吸引力随距离增加逐渐减弱，抗衡离子按照一定梯度分布，同时该区域同性离子受到表面电荷排斥，分布方向与抗衡离子梯度方向相反。因此该区域抗衡离子浓度比同性离子浓度高，而且可移动，该区域称之为扩散层。紧密层和扩散层共同组成了双电层。整个双电层厚度从几十到几百纳米不等，而双电层以内到通道中心的电解质呈电中性。

作为本发明的一种优选方案，所述正极驱动电极的基材为亲水性纤维织物，所述负极驱动电极的基材为疏水性纤维织物，所述径迹蚀刻薄膜为行迹刻蚀聚碳酸酯微孔薄膜。该结构，能够进一步提高定向导湿效率，避免出现反流现象。

作为本发明的一种优选方案，所述正极驱动电极为非金属织物电极；所述非金属织物电极采用碳纤维机织物、石墨烯机织物、碳纳米管织物、聚苯胺织物、聚吡咯织物、聚噻吩织物中的一种；所述负极驱动电极为金属织物电极；所述金属织物电极采用镀附有镍、银、铜和铝中的一种金属的无纺布或编织织物。

作为本发明的一种优选方案，所述正极驱动电极、径迹蚀刻薄膜和负极驱动电极按顺序依次层叠设置；在所述正极驱动电极和径迹蚀刻薄膜之间以及所述径迹蚀刻薄膜和负极驱动电极之间设置有TPU热熔膜，并通过所述TPU热熔膜粘合层压复合。

作为本发明的一种优选方案，在所述TPU热熔膜上具有镂空结构。

作为本发明的一种优选方案，所述驱动电源为1-10V。

作为本发明的一种优选方案，所述非金属织物电极的厚度为150μm-570μm，；所述金属织物电极厚度为35μm-550μm，水接触角110°-160°；所述行迹刻蚀聚碳酸酯微孔薄膜的厚度为7-20μm，孔隙率为4-20％，平均孔径0.4μm-2μm。

一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备非金属织物电极；将非金属导电纤维束编织成层膜状纤维织物，厚度控制在150μm-570μm，按所需形状进行裁剪；使用臭氧紫外清洗10-40分钟，得到超亲水的非金属织物电极；

步骤2，制备金属织物电极；将金属织物电极材料用热压机压平，热压温度为60-120℃，然后按所需形状裁剪；

步骤3，裁剪TPU热熔膜；对TPU热熔膜材料进行裁剪，裁剪出所需形状，并进行镂空裁剪，裁剪出两形状对称的TPU热熔膜；

步骤4，纺织基电渗泵的组装；依次按非金属织物电极、TPU热熔膜、径迹蚀刻薄膜、TPU热熔膜、金属织物电极的顺序层叠排列进行热压，热压温度为90-120℃，时间为1-5min，热压强度0.1-5Mpa，整体厚度为190μm-850μm。

步骤5，连接控制元器件，连接聚合物电池。

作为上述制备方法的优化方案，所述步骤1中臭氧排气通量为10-1200CFM，紫外线波长为254nm。

一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵的应用，使用权利要求1-7中任一所述的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵应用于智能穿戴方面，用于定向导湿。

作为上述应用的优化，应用在运动鞋垫、医用床垫、军用透湿防雨帐篷或运动服装上。

通过上述技术方案，本发明技术方案的显著有益效果是：本发明电渗泵结构简单，制作方便，制造成本低且性能稳定，应用广泛，改善了电渗泵驱动所需电压高(通常大于1kV)，通量低，焦耳热产生量高，热动力效率低的应用缺陷，使其应用范围更加广泛。本发明的电渗泵在1V的驱动电压下即可驱动液体运动，无气泡产生，使得液体可以持续传输，且通量可达到18.13mg min^-1cm^-2。同时，本发明利用电渗透原理使得在施加电压情况下液体在PC膜的孔壁上形成双电子层，沿着电渗流的方向带动液体通过，且碳纤维电极侧易于水分的分散，镀镍金属无纺布的水接触角为123°，属疏水性，使得在水分通过后易于滑落且不反流，改善了普通单向导湿织物过程被动、非连续性以及无法对导湿过程、方向及通量进行明确的可控操作的问题，对导湿过程、方向及通量均可实时在线控制。此外，本发明的电渗泵具备柔性好、性能稳定的特点，同时其耐久性也比较良好，可以应用于鞋垫、医用床垫以及运动服装等领域，具有广阔的应用前景。

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，下面将对实施例或现有技术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为本发明的实施例3的结构示意图；

图2为本发明的实施例3中TPU热熔膜裁剪的一种形状。

图3为本发明的实施例3中TPU热熔膜裁剪的另一种形状。

图4为本发明的实施例3采用微型蓝牙控制开关作为控制元器件的连接示意图。

图5为本发明的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵在鞋垫上的应用。

图6为本发明的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵在运动服装上的应用。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.非金属织物电极 2.非金属织物电极 3.行迹刻蚀聚碳酸酯微孔薄膜

4.TPU热熔膜 5.微型蓝牙控制开关

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵，包括驱动电极，设置于正极驱动电极和负极驱动电极之间的径迹蚀刻薄膜，以及分别与正极驱动电极和负极驱动电极进行电连接的驱动电源。驱动电极包括正极驱动电极和负极驱动电极；正极驱动电极和负极驱动电极都为层膜状柔性导电纺织纤维材料制成；径迹蚀刻薄膜为电绝缘微孔薄膜；驱动电源为低压直流电源。驱动电源提供原动力，实现从正极驱动电极向负极驱动电极的定向导湿。

实施例2

实施例2为对实施例1的优化方案。该实施例在实施例1的基础上，正极驱动电极的基材采用亲水性纤维织物，负极驱动电极的基材采用疏水性纤维织物，径迹蚀刻薄膜为行迹刻蚀聚碳酸酯微孔薄膜。该实施例能够在实施例1的基础上，进一步提高定向导湿效率，并避免出现反流现象。

实施例3

实施例3是对实施例1和实施例3的进一步优化，也是对于正负极选材的最优方案。结合图1，本实施例中，正极驱动电极为非金属织物电极11；负极驱动电极为金属织物电极2。具体的，非金属织物电极11采用碳纤维机织物、石墨烯机织物、碳纳米管织物、聚苯胺织物、聚吡咯织物、聚噻吩织物中的一种；金属织物电极2采用镀附有镍、银、铜和铝中的一种金属的无纺布或编织织物。非金属织物电极11的厚度为150μm-570μm，；金属织物电极2厚度为35μm-550μm，水接触角110°-160°；行迹刻蚀聚碳酸酯微孔薄膜3的厚度为7-20μm，孔隙率为4-20％，平均孔径0.4μm-2μm。同时，正极驱动电极、径迹蚀刻薄膜和负极驱动电极按顺序依次层叠设置；在正极驱动电极和径迹蚀刻薄膜之间以及径迹蚀刻薄膜和负极驱动电极之间设置有TPU热熔膜4，并通过TPU热熔膜4粘合层压复合TPU热熔膜4TPU热熔膜4。TPU热熔膜4起到热压粘结作用，同时在TPU热熔膜4上也是具有透气微孔的。也未避免阻隔定向导湿，可以在TPU热熔膜4上设置镂空，或TPU热熔膜4可以裁剪成条状或圈环状等简单且具有均匀孔隙的形状。驱动电源可以为1-10V。上述低压高通量定向导湿纺织基电渗泵的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备非金属织物电极11；将非金属导电纤维束编织成层膜状纤维织物，按所需形状进行裁剪；使用臭氧紫外清洗10-40分钟，得到超亲水的非金属织物电极11。具体的，采用1/1平纹组织结构、2/2方平纹组织结构或1/2斜纹等组织结构进行编织，保证编织的碳纤维束机织电极轻薄平整，厚度控制在150μm-570μm。

步骤2，制备金属织物电极2；将金属织物电极2材料用热压机压平，热压温度为60-120℃，然后按所需形状裁剪。

步骤3，裁剪TPU热熔膜4；对TPU热熔膜4材料进行裁剪，裁剪出所需形状，并进行镂空裁剪，裁剪出两形状对称的TPU热熔膜4TPU热熔膜4TPU热熔膜4TPU热熔膜4。TPU热熔膜4的可选形状多样，图2和图3分别为TPU热熔膜4的两种优选形状。

步骤4，纺织基电渗泵的组装；依次按非金属织物电极11、TPU热熔膜4、径迹蚀刻薄膜、TPU热熔膜4、金属织物电极2的顺序层叠排列进行热压，热压温度为90-120℃，时间为1-5min，热压强度0.1-5Mpa，整体厚度为190μm-850μmTPU热熔膜4TPU热熔膜4。

步骤5，连接控制元器件，连接聚合物电池。具体的控制元器件可以采用普通的开关，也可以采用微型蓝牙控制开关5，通过与手机或其他智能设备进行蓝牙连接，控制电渗泵的启停。具体结合图4所示。

本实施例制成的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵可以应用于各种智能穿戴方面，特别是鞋垫、医用床垫、军用透湿防雨帐篷以及运动服装上。结合图5，就是将本产品应用在鞋垫上的应用。结合图6，是将本产品应用在运动服装上。

通过对实施例3制备的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵进行检测：在1V的驱动电压下即可驱动液体运动，无气泡产生，持续开启12小时，能够进行稳定的工作，无异常不良状态出现，且通量达到18.13mg min^-1cm^-2以上，使用效果良好。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵，其特征在于，包括

驱动电极；所述驱动电极包括正极驱动电极和负极驱动电极；所述正极驱动电极和所述负极驱动电极都为层膜状柔性导电纺织纤维材料制成；

设置于所述正极驱动电极和负极驱动电极之间的径迹蚀刻薄膜；所述径迹蚀刻薄膜为电绝缘微孔薄膜；

分别与所述正极驱动电极和负极驱动电极进行电连接的驱动电源；所述驱动电源为低压直流电源。

2.根据权利要求1所述的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵，其特征在于，所述正极驱动电极的基材为亲水性纤维织物，所述负极驱动电极的基材为疏水性纤维织物，所述径迹蚀刻薄膜为行迹刻蚀聚碳酸酯微孔薄膜。

3.根据权利要求2所述的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵，其特征在于，所述正极驱动电极为非金属织物电极；所述非金属织物电极采用碳纤维机织物、石墨烯机织物、碳纳米管织物、聚苯胺织物、聚吡咯织物、聚噻吩织物中的一种；所述负极驱动电极为金属织物电极；所述金属织物电极采用镀附有镍、银、铜和铝中的一种金属的无纺布或编织织物。

4.根据权利要求1所述的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵，其特征在于，所述正极驱动电极、径迹蚀刻薄膜和负极驱动电极按顺序依次层叠设置；在所述正极驱动电极和径迹蚀刻薄膜之间以及所述径迹蚀刻薄膜和负极驱动电极之间设置有TPU热熔膜，并通过所述TPU热熔膜粘合层压复合。

5.根据权利要求4所述的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵，其特征在于，在所述TPU热熔膜上具有镂空结构。

6.根据权利要求1所述的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵，其特征在于，所述驱动电源为1-10V。

7.根据权利要求3所述的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵，其特征在于，所述非金属织物电极的厚度为150μm-570μm，；所述金属织物电极厚度为35μm-550μm，水接触角110°-160°；所述行迹刻蚀聚碳酸酯微孔薄膜的厚度为7-20μm，孔隙率为4-20％，平均孔径0.4μm-2μm。

8.一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，制备非金属织物电极；将非金属导电纤维束编织成层膜状纤维织物，厚度控制在150μm-570μm，按所需形状进行裁剪；使用臭氧紫外清洗10-40分钟，得到超亲水的非金属织物电极；

步骤2，制备金属织物电极；将金属织物电极材料用热压机压平，热压温度为60-120℃，然后按所需形状裁剪；

步骤3，裁剪TPU热熔膜；对TPU热熔膜材料进行裁剪，裁剪出所需形状，并进行镂空裁剪，裁剪出两形状对称的TPU热熔膜；

步骤4，纺织基电渗泵的组装；依次按非金属织物电极、TPU热熔膜、径迹蚀刻薄膜、TPU热熔膜、金属织物电极的顺序层叠排列进行热压，热压温度为90-120℃，时间为1-5min，热压强度0.1-5Mpa，整体厚度为190μm-850μm。

步骤5，连接控制元器件，连接聚合物电池。

9.根据权利要求8所述的一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵的制备方法，其特征在于，所述步骤1中臭氧排气通量为10-1200CFM，紫外线波长为254nm。

10.一种低压高通量定向导湿纺织基电渗泵的应用，其特征在于，使用权利要求1-7中任一所述的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵应用于智能穿戴方面，用于定向导湿。

11.根据权利要求7所述的低压高通量定向导湿纺织基电渗泵的应用，其特征在于，应用在运动鞋垫、医用床垫、军用透湿防雨帐篷或运动服装上。

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