CN111334954B - 一种复合纱线及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合纱线及其制备方法、应用，所述复合纱线包括导电纱线和包覆于所述导电纱线表面的硅橡胶涂层；所述硅橡胶涂层用于摩擦起电，所述导电纱线用于作为输出电极。本发明复合纱线能够应用于制备摩擦电纳米发电机或可穿戴织物传感器。本发明复合纱线的制备方法包括以下步骤：将交联剂与硅橡胶预聚体混合均匀，再转移至真空泵中抽真空得到硅橡胶胶状体；将呈胶状体的硅橡胶装入连有涂嘴的储液管，将喂入储液管的导电纱线从涂嘴拉出的过程中实现纱线表面涂层；将通过涂嘴后的涂层纱线进行固化形成复合纱线。本发明复合纱线制备方法能够一次性连续获得大量的复合纱线。

Description

一种复合纱线及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及纱线涂层的连续生产技术领域，具体的是一种复合纱线及其制备方法、应用。
背景技术
随着智能织物的迅猛发展，如何为可穿戴设备提供便携，持久的能量供应成为了亟待解决的难题之一。便携式的能量存储设备如锂电池和超级电容器等都存在着存储容量有限，使用寿命短，和需要定期充电等问题，因此无法满足可穿戴设备的要求。
近年来，摩擦电纳米发电机(TENG)发展成为了将微小机械能转化为电能的重要技术手段。该技术可以通过接触起电和静电感应的耦合作用来收集微小机械能。摩擦电纳米发电机具有能量转换效率高，成本低，装置制造容易和材料选择范围广的优点。
很多研究试图将摩擦电纳米发电机制备成柔性器件应用于可穿戴设备的电源供应。如将摩擦电纳米发电机制成薄膜附着在现有织物上，或先制备纤维状的摩擦电纳米发电机再进一步将其加工为织物等形式。其中，纤维状摩擦电纳米发电机的优势在于穿戴舒适，具有良好的柔韧性，灵活性。
目前，在室温条件下制备摩擦起电复合纱线的方法不仅工艺复杂，而且只能生产一定长度的纱线，无法实现摩擦起电复合纱线的大规模生产，从而限制了该种纱线在智能织物方面的应用。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种复合纱线及其制备方法、应用，其能够一次性获得大量连续的复合纱线。
本发明提供了一种复合纱线，所述复合纱线包括导电纱线和包覆于所述导电纱线表面的硅橡胶涂层；所述硅橡胶涂层用于摩擦起电，所述导电纱线用于作为输出电极。
作为优选，所述硅橡胶涂层的厚度为30-1200μm。
本发明还提供了一种复合纱线的制备装置，包括：
储液管，其沿竖直方向设置，所述储液管的上端设有开口以使导电纱线能够进入所述储液管中，所述储液管中含有涂层材料以在所述导电纱线表面包覆涂层，所述储液管底端设有涂嘴以输出表面包覆涂层的导电纱线；
保温箱，其设于所述储液管下方，所述保温箱内沿竖直方向设有两端开放的保温通道，所述保温通道的上端与所述涂嘴对准以使所述涂嘴中输出的表面包覆涂层的导电纱线能够进入所述保温通道中被加热形成复合纱线输出；以及
自动卷线器，其设于所述保温箱的下端，所述自动卷线器上设有纱线收集滚轮，所述纱线收集滚轮能沿一定方向旋转以牵引并收集所述保温通道中输出的复合纱线。
作为优选，所述自动卷线器上还设有相配合的第一滚轮和第二滚轮，所述第一滚轮和所述第二滚轮接触设置并设于所述纱线收集滚轮的上游，以使所述保温通道中输出的复合纱线能从所述第一滚轮和所述第二滚轮之间穿过，进而被矫正方向后再被所述纱线收集滚轮收集。
作为优选，所述涂嘴的口径为0.4-2mm，所述涂嘴的形状包括圆形和多边形中的一种。
本发明提供了一种复合纱线的制备方法，包括以下步骤：
将交联剂与硅橡胶预聚体混合均匀，再转移至真空泵中抽真空得到硅橡胶胶状体；
将硅橡胶胶状体装入连有涂嘴的储液管，将喂入储液管的导电纱线从涂嘴拉出的过程中实现纱线表面涂层；
将通过涂嘴后的涂层纱线进行固化形成复合纱线。
作为优选，在步骤“将交联剂与硅橡胶预聚体混合均匀”中，交联剂与硅橡胶预聚体的质量比为1：(0.25-10)，混合温度为1-25℃，混合时间为1-10min。
作为优选，在步骤“将通过涂嘴后的涂层纱线进行固化形成复合纱线”中，固化的温度为75-200℃之间。
作为优选，所述的硅橡胶预聚体为热固性硅橡胶。
本发明一种复合纱线在制备摩擦电纳米发电机或制备可穿戴织物传感器中的应用。
本发明的有益效果如下：
本发明复合纱线的制备方法，向储液管中注入硅橡胶胶状体，再开启纱线收集滚轮以牵引所述导电纱线移动进而制备所述复合纱线，其中，纱线收集滚轮牵引导电纱线依次穿过储液管以在其表面附上特定厚度的硅橡胶涂层，再由涂嘴中输出，然后穿过保温通道使导电纱线表面的硅橡胶涂层迅速交联固化以得到复合纱线，最终收集于纱线收集滚轮上，能够一次性获得大量连续的复合纱线，适宜规模化、产业化生产。
本发明复合纱线的制备方法制备过程无注模脱模等过程，大大简化了导电纱线表面硅橡胶涂层的制备过程，提高了生产效率。
本发明复合纱线的制备装置可以通过控制涂嘴的口径来控制复合纱线的直径，以及通过控制涂嘴的形状来控制复合纱线的表面粗糙度。
本发明复合纱线的制备装置中储液管内可放置不同的涂层材料，实现在导电纱线表面包覆不同种类的涂层，同时也可应用于不同种类的纱线表面包覆硅橡胶涂层的制备，具有较为广泛的适用范围。本发明复合纱线的制备装置可以通过对保温通道温度的控制，有效缩短硅橡胶胶状体的固化时间，从而提高复合纱线的生产效率。
本发明复合纱线可制备成摩擦起电织物，从而获得了可作为柔性摩擦纳米发电机的可穿戴织物。由复合纱线编织而成的摩擦起电织物具有良好的透气性和柔软性，穿戴在人体上具有良好的舒适性。本发明复合纱线在接触分离过程中根据摩擦力的大小和频率的变化会产生不同幅值的信号，该种特性拓宽了其在可穿戴设备中的应用，使其不仅可以用做可穿戴能量采集织物，也可以用作可穿戴传感器织物。本发明复合纱线可以通过编织加工，制成多种形状的织物，如手套，护膝，护腕等，用于收集人体微小动能或作为关节动作传感器。本发明复合纱线通过采用硅橡胶作为涂层材料，使复合纱线具有良好的防水性。
本发明复合纱线可制备成摩擦起电织物或摩擦电纳米发电机，制备得到的摩擦起电织物和摩擦电纳米发电机都可用于微小机械能转化为电能的系统中，可充当可穿戴电子设备持续供应的电源、也可以为可充电电池和电容器等充电，应用难度较低，此外，摩擦起电织物产品的外形还能根据各种需求进行专门设计，产品类型丰富，适应各类智能织物。因此，本发明的应用范围较广。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
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是本发明复合纱线的结构示意图；
图2是本发明复合纱线的制备装置的结构示意图；
图3是本发明复合纱线和导电薄膜接触分离运动模式下的发电原理示意图；
图4是本发明摩擦起电织物和导电薄膜接触分离运动模式下的发电原理示意图；
图5是本发明实施例3摩擦起电织物的结构示意图；
图6是本发明中实施例1所产生的电压信号图；
图7是本发明中实施例2所产生的电压信号图；
图8是本发明中实施例3所产生的电压信号图。
以上附图的附图标记：1-导电纱线；2-硅橡胶涂层；3-储液管；4-涂嘴；5-保温箱；6-自动卷线器；7-温度控制器；8-复合纱线；9-第一亚克力基板；10-第二亚克力基板；11-第三亚克力基板；12-第四亚克力基板；13-导电薄膜；14-摩擦起电织物；15-铝电级层；
501-加热器；502-隔热箱；
601-第一滚轮；602-第二滚轮；603-纱线收集滚轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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做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。
参考附图1，实施例1-2中的复合纱线8采用一种复合纱线的制备装置制成，制备装置包括：支架、储液管3、保温箱5以及自动卷线器6。
支架包括沿竖直方向设置的支撑架，在支撑架上沿水平方向依次设有第一固定架、第二固定架以及第三固定架。待加工的导电纱线1设于第一固定架上。
储液管3沿竖直方向设置于第二固定架上。储液管3的上端设有开口以使导电纱线1的下端能够进入到储液管3中。在储液管3中注有涂层材料，以在进入储液管3中的导电纱线1的表面形成涂层。在储液管3的底端设有涂嘴4，以使表面形成涂层的导电纱线1能够从储液管3中被输出，涂嘴4可以为3D打印涂嘴4。
保温箱5固定于第三固定架上，保温箱5设于储液管3的下方。保温箱5内沿竖直方向设有两端开放的保温通道，保温箱5中设有加热器501以对保温通道进行升温，加热器501的温度通过温度控制器7控制。保温箱5的外表面还设有隔热箱502以减少热量损失以及保障加工安全性。保温通道的上端与涂嘴4对准，以使涂嘴4中输出的表面形成涂层的导电纱线1能够进入保温通道中形成复合纱线8输出。
自动卷线器6设于保温箱5的底端。自动卷线器6上设有相配合的第一滚轮601和第二滚轮602以及纱线收集滚轮603。第一滚轮601和第二滚轮602接触设置并设于纱线收集滚轮603的上游。保温通道中输出的复合纱线8从第一滚轮601和第二滚轮602之间通过，以使其方向被矫正。然后再固定于纱线收集滚轮603上，纱线收集滚轮603能沿一定方向旋转以牵引并收集复合纱线8。
制备得到的复合纱线8具有核壳结构，包括作为核心材料的导电纱线1和包覆于导电纱线的表面的硅橡胶涂层2；硅橡胶涂层2用于摩擦起电，导电纱线1用于作为输出电极。
导电纱线为具有良好导电性能的纱线，可为碳纤维材料，各类金属纱线产品以及导电材料(金属、碳纳米管、石墨烯、二维过渡金属碳(氮)化物(MXene)等)涂层纱线等。实施例1-2中所用的导电纱线产品包括银纤维导电长丝、银纤维导电长丝和聚合物长丝的混合纱线、银纤维导电纱线包覆弹力纱线中的一种。导电纱线的直径为200-800μm。
本发明中硅橡胶预聚体为热固性铂催化型硅橡胶，具体为：硅橡胶预聚体Ecoflex silicone rubber 0050，Eco flex silicone rubber 0030，也可采用PDMS。Eco flexsilicone rubber 0050和Eco flex silicone rubber 0030均为聚硅氧烷弹性体，是Smooth on公司旗下的Ecoflex系列产品0050和0030型号，其产品中附有对应的交联剂。本实施了1-2中使用的硅橡胶预聚体是Eco flex silicone rubber 0050，硅橡胶涂层厚度为30-1200μm。
实施例1：
S1：将Eco flex silicone rubber 0050和交联剂按照质量比1：1混合，并在25℃下搅拌3分钟，然后转移至真空泵中，抽真空5分钟以消除气泡，取出得到硅橡胶胶状体。
S2：采用银纤维长丝，涤纶长丝加捻的方法制备导电纱线。
S3：将步骤S2中的导电纱线下端依次穿过储液管、涂嘴、保温通道、第一滚轮和第二滚轮之间，最终固定在纱线收集滚轮上。其中，涂嘴为圆形，口径为0.8mm，通过控制涂嘴的口径来控制导电纱线上硅橡胶涂层的厚度，并使得涂层过程更加均匀。保温通道的温度为100℃。
S4：向储液管中注入步骤S1中的硅橡胶胶状体，再开启纱线收集滚轮以牵引导电纱线移动进而制备复合纱线，其中，纱线收集滚轮牵引导电纱线先穿过储液管，以在其表面附上特定厚度的硅橡胶涂层，再由涂嘴中输出，然后穿过保温通道，使导电纱线表面的硅橡胶涂层在高温的作用下迅速交联固化以得到复合纱线，最终复合纱线收集到纱线收集滚轮上。
实施例2
S1：将Eco flex silicone rubber 0050和交联剂按照质量比2:1混合，并在25℃下搅拌3分钟，然后转移至真空泵中，抽真空5分钟以消除气泡，取出得到硅橡胶胶状体。
S2：采用银纤维纱线包覆弹力纱线制备导电纱线，所述的弹力纱线为聚氨酯弹力丝。
S3：将步骤S2中的导电纱线下端依次穿过储液管、涂嘴、保温通道、第一滚轮和第二滚轮之间，最终固定在纱线收集滚轮上。其中，涂嘴为圆形，口径为1mm，通过控制涂嘴的口径来控制导电纱线上硅橡胶涂层的厚度，并使得涂层过程更加均匀。保温通道的温度为100℃。
S4：向储液管中注入步骤S1中的硅橡胶胶状体，再开启纱线收集滚轮以牵引导电纱线移动进而制备复合纱线，其中，纱线收集滚轮牵引导电纱线先穿过储液管，以在其表面附上特定厚度的硅橡胶涂层，再由涂嘴中输出，然后穿过保温通道，使导电纱线表面的硅橡胶涂层在高温的作用下迅速交联固化以得到复合纱线，最终复合纱线收集到纱线收集滚轮上。
参考附图2，实施例1和实施例2中制备得到的复合纱线具有核壳结构，包括作为核心材料的导电纱线1和包覆于导电纱线的表面的硅橡胶涂层2；硅橡胶涂层用于摩擦起电，导电纱线用于作为输出电极。硅橡胶涂层与外界物体表面的接触分离，由于接触起电和静电感应的共同作用，硅橡胶涂层表面产生电荷，这些电荷使得硅橡胶涂层涂层与地或另一物体之间产生电势差，从而驱动电荷的转移。
参考附图3，将实施例1和实施例2制备得到的复合纱线制备成摩擦电纳米发电机。摩擦电纳米发电机包含复合纱线8、具有良好电正性的导电薄膜13、第一亚克力基板9以及第二亚克力基板10。导电薄膜13为PET薄膜，厚度为125μm。导电薄膜13的表面附着铝电极层15，铝电极层15上再覆有第一亚克力基板9。复合纱线8设于第二亚克力基板10上。复合纱线8中的导电纱线和导电薄膜13表面的铝电极层15电性连接。导电薄膜背向铝电极层的面与复合纱线进行相互接触分离运动，由于接触起电的作用，复合纱线表面的硅橡胶涂层和PET薄膜产生极性相反的电荷，这些电荷使得复合纱线表面的硅橡胶涂层和导电薄膜之间产生电势差，从而驱动电荷在复合纱线内部的导电纱线和导电薄膜表面的铝电极之间转移。
参考附图6，实施例1所制备的复合纱线在与PET薄膜接触分离的过程中，通过接触起电和静电感应的共同作用，会在实施例1所制备的复合纱线涂层表面和PET薄膜表面聚集大量极性相反的静电荷，从而导致在复合纱线与PET薄膜接触分离的过程中会产生周期性的电压。该种电压可以驱动外电路的电荷转移。实施例1中复合纱线制备的摩擦电纳米发电机最高可产生75V负极电压信号。
参考附图7，实施例2所制备的复合纱线在与PET薄膜接触分离的过程中，通过接触起电和静电感应的共同作用，会在实施例2所制备的复合纱线涂层表面和PET薄膜表面聚集大量极性相反的静电荷，从而导致在复合纱线与PET薄膜接触分离的过程中会产生周期性的电压。该种电压可以驱动外电路的电荷转移。实施例2中复合纱线制备的摩擦电纳米发电机最高可产生225V负极电压信号。
实施例3
本实施例制备了一种摩擦起电织物，其采用实施例2中所制备的导电纱线制备。参考附图5，将导电纱线采用平纹、斜纹、缎纹、经编、纬编中的一种或多种进行编织，得到尺寸为5cm×5cm的摩擦起电织物。此摩擦起电织物在与人体皮肤，服饰布料的接触分离过程中，在摩擦起电织物的表面聚集电荷，因此也可作为柔性摩擦电纳米发电机的可穿戴织物传感器中，将该摩擦起电织物放置于人体关节位置，如膝关节，肘关节等，可实时监测关节的运动幅度，运动频率等信息。
参考附图4，将此摩擦起电织物与具有良好电正性的导电薄膜进行相互接触分离运动，导电薄膜13为PET薄膜，厚度为125μm，导电薄膜13的表面附着铝电极层15。将导电薄膜13的铝电极层15上覆盖第三亚克力板11，再将摩擦起电织物14置于第四亚克力板12。同时使铝电极层与摩擦起电织物中的导电纱线电性连接。
使摩擦起电织物与导电薄膜背向铝电极层的一面相互接触分离运动，由于接触起电和静电感应的共同作用，摩擦起电织物表面的涂层和PET薄膜产生极性相反的电荷，这些电荷使得摩擦起电织物表面的涂层和导电薄膜之间产生电势差，从而驱动电荷在摩擦起电织物中的导电纱线和导电薄膜中的铝电极之间转移。参考附图8，实施例3所制备的摩擦起电织物在与PET薄膜接触分离的过程中，通过接触起电和静电感应的共同作用，会在织物表面和PET薄膜表面聚集大量极性相反的静电荷，从而导致在摩擦起电织物与PET薄膜接触分离的过程中会产生周期性的电压。该种电压可以驱动外电路的电荷转移，在该种模式下，最高可产生314V的负极电压信号。
本发明中应用了具体实施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 (7)

1.一种复合纱线的制备装置，其特征在于，包括：
储液管，其沿竖直方向设置，所述储液管的上端设有开口以使导电纱线能够进入所述储液管中，所述储液管中含有涂层材料以在所述导电纱线表面包覆涂层，所述储液管底端设有涂嘴以输出表面包覆涂层的导电纱线；
保温箱，其设于所述储液管下方，所述保温箱内沿竖直方向设有两端开放的保温通道，所述保温通道的上端与所述涂嘴对准以使所述涂嘴中输出的表面包覆涂层的导电纱线能够进入所述保温通道中被加热形成复合纱线输出；以及
自动卷线器，其设于所述保温箱的下端，所述自动卷线器上设有纱线收集滚轮，所述纱线收集滚轮能沿一定方向旋转以牵引并收集所述保温通道中输出的复合纱线。
2.根据权利要求1所述的复合纱线的制备装置，其特征在于，所述自动卷线器上还设有相配合的第一滚轮和第二滚轮，所述第一滚轮和所述第二滚轮接触设置并设于所述纱线收集滚轮的上游，以使所述保温通道中输出的复合纱线能从所述第一滚轮和所述第二滚轮之间穿过，进而被矫正方向后再被所述纱线收集滚轮收集。
3.根据权利要求1所述的复合纱线的制备装置，其特征在于，所述涂嘴的口径为0.4-2mm，所述涂嘴的形状包括圆形和多边形中的一种。
4.一种复合纱线的制备方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述的复合纱线的制备装置制备而成，其包括以下步骤：
将交联剂与硅橡胶预聚体混合均匀，再转移至真空泵中抽真空得到硅橡胶胶状体；
将硅橡胶胶状体装入连有涂嘴的储液管，将喂入储液管的导电纱线从涂嘴拉出的过程中实现纱线表面涂层；
将通过涂嘴后的涂层纱线进行固化形成复合纱线。
5.根据权利要求4所述的复合纱线的制备方法，其特征在于，在步骤“将交联剂与硅橡胶预聚体混合均匀”中，交联剂与硅橡胶预聚体的质量比为1：（0.25-10），混合温度为10-25℃，混合时间为1-10min。
6.根据权利要求4所述的复合纱线的制备方法，其特征在于，在步骤“将通过涂嘴后的涂层纱线进行固化形成复合纱线”中，固化的温度为75-200℃之间。
7.根据权利要求4所述的复合纱线的制备方法，其特征在于，所述的硅橡胶预聚体为热固性硅橡胶。
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