CN115323552B - 一种摩擦纳米发电复合纱及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦纳米发电复合纱及其制备方法和应用。该方法包括制备纳米纤维包覆纱、制备疏水涤纶粗纱和制备摩擦纳米发电复合纱。本发明制备的复合纱具有三层结构。内层选择轻质柔软导电纱线，作为电极层；中间层是PA11/纳米氧化锌的纳米纤维纱，具有纳米尺度直径、高表面积、高孔隙率和小孔径的特点，作为中间层具有保持更多的摩擦电荷、降低电荷中和的作用；外层是经过疏水整理的涤纶纱，不仅强度高、耐磨性好、耐水洗性好，而且疏水处理使其在水滴环境下仍然能收集机械能，保持性能电输出。本复合纱能够作为二维编织物和针织物的纱线原料。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦纳米发电领域，具体是一种增强摩擦电输出和耐磨性的摩擦纳米发电复合纱及其制备方法和应用。
背景技术
如今，随着物联网、大数据、人工智能等现代产业和多学科领域的发展，功能性可穿戴电子产品正在迅速发展。多功能可穿戴电子产品在个人健康管理、运动检测、智能织物等方面的广泛应用。近几年来，摩擦纳米发电机基于摩擦起电和静电感应的原理，能够收集随机、低频环境机械能为可穿戴电子产品供电。而人体自身就是绿色机械能的丰富来源，而且是智能可穿戴电子的应用者，通过摩擦纳米发电机纺织品和人体运动的无缝结合，可以实现能量的获取和利用。
目前，传统摩擦发电纱输出性能较低，且功能单一，作为能量收集器将身体机械能转化为电能的摩擦纳米发电机，其核心在于输出性能。为了通过提高电输出性能来拓宽应用领域，研究人员提出了各种方法，包括材料选取、设计工艺、优化摩擦材料、设计多层结构、添加纳米粒子等。而摩擦纳米发电机的电荷转移机制是材料对电子的亲和力不同所产生的，排在摩擦序列表前面的摩擦材料被认为是理想的选择，如PDMS、PA、PET和PTFE等。另外研究者通过设计多层结构证明PI、PP、PA等材料作为介电层可以捕获电荷并存储在深阱层中，从而减少电荷散逸，提高了表面电位。
目前大多数摩擦纳米发电纱通过选择静电纺工艺并添加纳米粒子来制备发电纱线，因为静电纺纳米纤维具有大孔隙率和大比表面积的特性，可以提高摩擦电荷密度且制成的纱线易与纺织品结合。但是纳米结构由于其脆弱的界面容易受到磨损，作为可穿戴电子纺织品需要承受人体在日常生活中实际运动的磨损，因此纳米纤维不能满足穿着耐磨性需求。耐磨性最关键的因素在于其材料类型，尼龙和涤纶等纺织材料被认为是理想的耐磨材料。舒适性能是服装另一项主要的综合体验指标。因此，需要研发一种耐磨、高强、舒适、疏水的高电性能输出的摩擦发电纱。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种摩擦纳米发电复合纱及其制备方法和应用。
本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种摩擦纳米发电复合纱的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)制备纳米纤维包覆纱：以PA11/纳米氧化锌溶液作为正极和负极的静电纺丝液、以导电纱线作为芯纱，采用双电极静电纺丝法，将PA11/纳米氧化锌溶液形成的纳米纤维纱旋转包覆在导电纱线的外表面上，形成纳米纤维包覆纱；
(2)制备疏水涤纶粗纱：以涤纶短纤维为原料，对涤纶短纤维依次进行开松、梳理成条和并条，得到涤纶熟条；再将涤纶熟条进行疏水整理，得到疏水涤纶熟条；再将疏水涤纶熟条纺制成粗纱，得到疏水涤纶粗纱；
(3)制备摩擦纳米发电复合纱：以纳米纤维包覆纱作为芯纱、疏水涤纶粗纱作为外包纱，采用环锭纺工艺将疏水涤纶粗纱形成的疏水涤纶微米纤维加捻包覆在纳米纤维包覆纱的外表面上，得到摩擦纳米发电复合纱。
本发明解决所述复合纱技术问题的技术方案是，提供一种所述制备方法制备得到的摩擦纳米发电复合纱，其特征在于，该复合纱为由内至外的三层结构；内层为导电纱线，作为电极层；中间层为纳米纤维纱，作为电荷储存层；外层为疏水涤纶微米纤维，作为电荷产生层。
本发明解决所述应用技术问题的技术方案是，提供一种所述摩擦纳米发电复合纱的应用，其特征在于，将该复合纱作为二维编织物和针织物的纱线原料。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明的复合纱具有高强、高耐磨性、舒适性、高疏水性、水洗耐久性和高电性能输出，能够增强摩擦电输出，进而增强复合纱的发电性能。
(2)本发明的复合纱具有三层结构。内层选择轻质柔软导电纱线，作为电极层；中间层是PA11/纳米氧化锌的纳米纤维纱，具有纳米尺度直径、高表面积、高孔隙率和小孔径的特点，作为中间层具有保持更多的摩擦电荷、降低电荷中和的作用；外层是经过疏水整理的涤纶纱，不仅强度高、耐磨性好、耐水洗性好，而且疏水处理使其在水滴环境下仍然能收集机械能，保持性能电输出，同时涤纶纱柔软性好，亲肤，人体穿着舒适感强。
(3)本发明的复合纱包含纳米级别的纳米纤维纱和微米级别的疏水涤纶微米纤维，通过纳米-微米的尺寸梯度结构进一步增强了复合纱的各项性能。
(4)本发明的制备过程结合静电纺、浸渍-烘干和环锭纺工艺，制备方法操作简单，参数易于控制。
附图说明
图1为本发明的纳米纤维包覆纱的制备流程示意图；
图2为本发明的疏水涤纶微米纤维加捻包覆在纳米纤维包覆纱上的制备流程示意图；
图3为本发明实施例1制备的纳米纤维包覆纱的表面SEM图；
图4为本发明实施例1制备的疏水涤纶熟条的表面SEM图；
图5为本发明实施例1制备的复合纱的表面形貌图；
图6为本发明实施例1制备的复合纱的横截面形貌图；
图7为本发明实施例1制备的复合纱和纳米纤维包覆纱、对比例1制备的环锭纺包芯纱的电压输出图；
图8为本发明实施例1制备的复合纱和纳米纤维包覆纱、对比例1制备的环锭纺包芯纱的电流输出图；
图9为本发明实施例1制备的复合纱和纳米纤维包覆纱、对比例1制备的环锭纺包芯纱的拉伸性能图；
图10为本发明实施例1制备的复合纱和纳米纤维包覆纱、对比例1制备的环锭纺包芯纱的耐磨性能测试图；
图11为本发明实施例1制备的复合纱的不同磨损循环下的表面形貌图；
图12为本发明实施例1制备的复合纱的水洗性能图；
图13为本发明实施例1制备的复合纱的疏水性能图；
图14为本发明实施例1制备的复合纱在滴水0.22g后电流输出的测试性能图；
图15为本发明实施例1制备的复合纱在滴水0.44g后电流输出的测试性能图
图16为本发明实施例1制备的电子织物的实物图；
图17为本发明实施例1制备的电子织物的电压输出性能图；
图18为本发明实施例1制备的电子织物的电流输出性能图；
图19为本发明实施例1制备的电子织物的电荷输出性能图；
图20为本发明实施例1制备的电子织物被拍打时给商用电容器充电图；
图21为本发明实施例1制备的电子织物的透气性能图；
图22为本发明实施例1制备的电子织物的透湿性能图；
图23为本发明实施例1制备的复合纱作为自供电传感器检测手指伸直性能图；
图24为本发明实施例1制备的电子织物作为自供电传感器检测手肘弯曲性能图；
图25为本发明实施例1制备的电子织物作为自供电传感器检测膝盖弯曲性能图。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本发明权利要求的保护范围。
本发明提供了一种摩擦纳米发电复合纱的制备方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)制备纳米纤维包覆纱：
以PA11/纳米氧化锌溶液作为正极和负极的静电纺丝液、以导电纱线作为芯纱，采用双电极静电纺丝法，将PA11/纳米氧化锌溶液形成的纳米纤维纱旋转包覆在导电纱线的外表面上，使纳米纤维纱取向排列，有利于提高纳米纤维纱的力学性能，形成纳米纤维包覆纱；
优选地，步骤(1)中，导电纱线的直径为0.5～1.0mm，电导率不小于2.3×107S/m；采用轻质柔软导电纱线，优选铜丝、银丝或镀金钨丝。
优选地，步骤(1)中，静电纺丝液的配制具体是：将纳米氧化锌超声溶解于HFIP(六氟异丙醇)中；再加入PA11(尼龙11)颗粒，搅拌溶解后，得到均相的PA11/纳米氧化锌溶液。
优选地，步骤(1)中，静电纺丝液的配制中，超声溶解的时间为50～70min、温度为20～30℃、超声频率为40kHz；搅拌溶解的时间为1.8～2.5h、温度为60～65℃、转速为55～60r/min。
优选地，步骤(1)中，静电纺丝液中，PA11的浓度为6～15wt％(优选9～15wt％，更优选9wt％)，纳米氧化锌的浓度为1～7wt％(优选2～5wt％，更优选3wt％)。
优选地，步骤(1)中，所述双电极静电纺丝的工艺参数为：正极电压为5～6V，负极电压为-5～-6V，旋转收集装置的转速为200～600r/min，优选300～500r/min；导电纱线的移动速度为0.05～0.3mm/s，优选0.1mm/s；正极和负极的静电纺丝液的喷射流速均为0.01～0.05mL/h(优选0.03～0.05mL/h)，优选正极和负极的静电纺丝液的喷射流速相同且均为0.03mL/h。
优选地，步骤(1)中，纳米纤维纱的单根纳米纤维的直径为685～750nm，优选700～735nm；纳米纤维包覆纱的平均直径为0.43～1.34mm，优选0.9～1.2mm。
(2)制备疏水涤纶粗纱：
以涤纶短纤维为原料，对涤纶短纤维依次进行开松、梳理成条和并条，得到涤纶熟条；再将涤纶熟条进行疏水整理，在涤纶熟条的外表面形成疏水膜，得到疏水涤纶熟条；再将疏水涤纶熟条通过粗纱机纺制成粗纱，得到微米级的疏水涤纶粗纱作为外包纱；
优选地，步骤(2)中，梳理成条时，锡林和道夫的转速均选择低速(即118～150r/min)，保证短纤维梳理均匀。并条时，并条机牵伸倍数为5～7，优选6倍；采用并条机并条牵伸使纤维顺序排列，有利于提高涤纶熟条的力学性能。
优选地，步骤(2)中，常温下将涤纶熟条浸渍于疏水整理剂中10～25min(优选20min)后，再在温度100～150℃(优选120℃)下烘干15～30min(优选20min)，得到疏水涤纶熟条；疏水整理剂选用有机硅整理剂。
优选地，步骤(2)中，纺制粗纱时，牵伸倍数为7～9(优选7倍)，制备过程严格控制，得到疏水涤纶粗纱的干定量为4～5g/10m。
优选地，步骤(2)中，所述疏水涤纶粗纱的单纤维直径为10～15μm。
(3)制备摩擦纳米发电复合纱：
将纳米纤维包覆纱和疏水涤纶粗纱分别卷绕在环锭细纱机的两个纱管上，以纳米纤维包覆纱作为芯纱、疏水涤纶粗纱作为外包纱，通过环锭细纱机采用环锭纺工艺将疏水涤纶粗纱形成的疏水涤纶微米纤维加捻包覆在纳米纤维包覆纱的外表面上，得到三层结构的摩擦纳米发电复合纱(简称复合纱)。
优选地，步骤(3)中，环锭纺工艺是：将疏水涤纶粗纱从后罗拉的后钳口喂入，依次经过后罗拉、中间罗拉和前罗拉这三个罗拉后，从前罗拉的前钳口输出，形成疏水涤纶微米纤维；纳米纤维包覆纱从前罗拉的后钳口喂入，再从前罗拉的前钳口输出；进而将纳米纤维包覆纱和疏水涤纶微米纤维在前区集合，将疏水涤纶微米纤维加捻包覆在纳米纤维包覆纱的外表面，再通过钢丝圈卷绕在筒管上，形成三层结构的摩擦纳米发电复合纱。
本发明同时提供了一种所述制备方法制备得到的摩擦纳米发电复合纱(简称复合纱)，其特征在于，该复合纱为由内至外的三层结构；内层为导电纱线，作为电极层；中间层为静电纺纳米纤维纱，作为电荷储存层；外层为疏水涤纶微米纤维，作为电荷产生层。
优选地，复合纱的平均直径为1.4～1.8mm。
优选地，疏水涤纶微米纤维的质量占复合纱总质量的8～15％；疏水涤纶微米纤维与导电纱线的质量比为0.5～1:1(优选0.6～0.7:1)。
本发明同时提供了一种所述复合纱的应用，其特征在于，将该复合纱作为二维编织物和针织物的纱线原料；
当该复合纱作为二维编织物的原料时，具体二维编织工艺是：将该复合纱卷绕在二维编织机的锭子上，将氨纶纤维束作为芯层，通过二维编织工艺将复合纱包覆在氨纶纤维束的外侧，得到具有延伸性的二维编织物。优选地，二维编织机的转速是10～15r/min。氨纶纤维束是由1～5根70D的氨纶单丝组成的。
当该复合纱作为针织物的原料时，采用手摇横织机，通过常规针织工艺制得针织物。
下面的实施例中，将PDMS固定在激振器的一端，通过设定激振器的移动加速度，实现PDMS与待测样品的接触分离频率(2～4Hz)的控制。将导电纱线与静电计的测试端连接，利用静电计测试和读取复合纱的电压、电荷量以及电流。
实施例1
(1)制备纳米纤维包覆纱：
将纳米氧化锌加入HFIP中，在25℃条件下超声处理60min，得到质量分数为3％的纳米氧化锌溶液；再将PA11颗粒加入到纳米氧化锌溶液中，在65℃下搅拌溶解2h，得到PA11的质量分数为6％的PA11/纳米氧化锌溶液；
再以PA11/纳米氧化锌溶液作为正极和负极的静电纺丝液，以铜丝作为芯纱，采用双电极静电纺丝技术，调控静电纺丝参数(正极电压为5V，负极电压为-5V，旋转收集装置的转速为300r/min，导电纱线的移动速度为0.1mm/s，喷射流速均为0.03mL/h)，并通过常规喷嘴型电纺装置对铜丝进行旋转包覆，形成纳米纤维包覆纱；
(2)制备疏水涤纶粗纱：
对涤纶短纤维依次进行开松、梳理成条和并条，得到涤纶熟条；梳理成条时，锡林和道夫的转速均选择低速；并条时，并条机牵伸倍数为6倍；
将涤纶熟条浸渍于有机硅整理剂中20min后，在温度120℃下烘干20min，得到疏水涤纶熟条；再将疏水涤纶熟条通过粗纱机纺制粗纱，卷绕得到疏水涤纶粗纱；纺制粗纱时，牵伸倍数为7倍，得到粗纱干定为5g/10m；
(3)制备摩擦纳米发电复合纱：将纳米纤维包覆纱和疏水涤纶粗纱分别卷绕在环锭细纱机的两个纱管上，以纳米纤维包覆纱作为芯纱、疏水涤纶粗纱作为外包纱，通过环锭细纱机将疏水涤纶粗纱形成的疏水涤纶微米纤维加捻包覆在纳米纤维包覆纱的外表面上，得到三层结构的摩擦纳米发电复合纱。
由图3可以看出，PA11和纳米氧化锌具有良好的可纺性，且纳米纤维形成较大的比表面积和孔隙率。
由图4可以看出，疏水整理后，在涤纶熟条的外表面形成疏水膜。
由图5可以看出，复合纱最外层的疏水涤纶微米纤维紧紧包裹在中间层的纳米纤维上。
由图6可以看出，复合纱具有均匀紧凑的三层同轴包覆结构。
由图7可以看出，复合纱的输出电压高于步骤(1)得到的纳米纤维包覆纱以及对比例1的环锭纺包芯纱，电压分别是纳米纤维包覆纱和环锭纺包芯纱的2倍和1.5倍。
由图8可以看出，复合纱的输出电流高于步骤(1)得到的纳米纤维包覆纱以及对比例1的环锭纺包芯纱，电流分别是纳米纤维包覆纱和环锭纺包芯纱的2倍和1.5倍。
由图9可以看出，复合纱的抗拉强度高于步骤(1)得到的纳米纤维包覆纱以及对比例1的环锭纺包芯纱。
由图10可以看出，复合纱的耐磨性能高于步骤(1)得到的纳米纤维包覆纱以及对比例1的环锭纺包芯纱，复合纱可以承受4500次磨损，步骤(1)得到的纳米纤维包覆纱只能承受550次磨损，对比例1的环锭纺包芯纱只能承受3000次。
由图11可以看出，复合纱在不同磨损次数下的表面形态均保持较好、无磨损，且4000次摩擦磨损后中间层仍然保持较好的形态结构。
由图12可以看出，复合纱在10次水洗的过程中以及10次水洗后，电输出电压基本不变，仍然具有稳定的电性能输出，具有可洗性和稳定性。
由图13可以看出，复合纱的疏水性优异，水接触角为157°。
由图14可以看出，复合纱在0.22g水滴滴落后不影响电流输出。由图15可以看出，复合纱在0.44g水滴滴落后不影响电流输出。本复合纱在水滴下后仍然保持高电性能输出。
由图16可以看出，先选择普通棉纱进行喂纱，起针并织造8行-10行，再将复合纱通过手摇横织机进行引入，进行正常编织，复合纱织造10行，再将普通棉纱引入进行织造8行-10行，最后进行收针，得到电子织物。
由图17可以看出，电子织物在2～4Hz下的电压输出，电压可以达到55V。
由图18可以看出，电子织物在2～4Hz下的电流输出，电流可以达到0.67μA。
由图19可以看出，电子织物在2～4Hz下的电荷量输出，转移电荷量可以达到16.5nC。
由图20可以看出，通过拍打电子织物产生的电能可以对不同容量的商用电容器进行充电，且电容器容量越大充电速率越慢。
由图21和22可以看出，电子织物的透气性和透湿性均介于棉织物、涤纶织物、牛仔织物之间，具备优异的透气性能和透湿性能，具有优异的可穿戴舒适性，可作为长期佩戴的电子产品。
由图23-25可以看出，复合纱可以作为自供电传感器对手指伸直进行运动监测，电子织物可以作为自供电传感器分别对手肘弯曲和膝盖弯曲进行运动监测。表明该复合纱和由该复合纱制成的电子织物都可以作为自供电传感器进行人体运动检测。
对比例1
(1)制备疏水涤纶粗纱：与实施例1的步骤(2)完全相同；
(2)制备环锭纺包芯纱：将铜丝(与实施例1相同的铜丝)和疏水涤纶粗纱分别卷绕在环锭细纱机的两个纱管上，以铜丝作为芯纱、疏水涤纶粗纱作为外包纱，通过环锭细纱机采用环锭纺工艺将疏水涤纶粗纱形成的疏水涤纶微米纤维加捻包覆在铜丝的外表面上，得到环锭纺包芯纱。
步骤(2)具体是：将疏水涤纶粗纱从后罗拉的后钳口喂入，依次经过后罗拉、中间罗拉和前罗拉这三个罗拉后，从前罗拉的前钳口输出，形成疏水涤纶微米纤维；铜丝从前罗拉的后钳口喂入，再从前罗拉的前钳口输出；进而将铜丝和疏水涤纶微米纤维在前区集合，将疏水涤纶微米纤维加捻包覆在铜丝的外表面，再通过钢丝圈卷绕在筒管上，形成环锭纺包芯纱。
实施例2
(1)制备纳米纤维包覆纱：
将纳米氧化锌加入HFIP中，在25℃条件下超声处理60min，得到质量分数为3％的纳米氧化锌溶液；再将PA11颗粒加入到纳米氧化锌溶液中，在65℃下搅拌溶解2h，得到PA11的质量分数为9％的PA11/纳米氧化锌溶液；
再以PA11/纳米氧化锌溶液作为正极和负极的静电纺丝液，以铜丝作为芯纱，采用双电极静电纺丝技术，调控静电纺丝参数(正极电压为5V，负极电压为-5V，旋转收集装置的转速为300r/min，导电纱线的移动速度为0.1mm/s，喷射流速均为0.03mL/h)，并通过常规喷嘴型电纺装置对铜丝进行旋转包覆，形成纳米纤维包覆纱；
(2)制备疏水涤纶粗纱：
对涤纶短纤维依次进行开松、梳理成条和并条，得到涤纶熟条；梳理成条时，锡林和道夫的转速均选择低速；并条时，并条机牵伸倍数为6倍；
将涤纶熟条浸渍于有机硅整理剂中20min后，在温度120℃下烘干20min，得到疏水涤纶熟条；再将疏水涤纶熟条通过粗纱机纺制粗纱，卷绕得到疏水涤纶粗纱；纺制粗纱时，牵伸倍数为7倍，得到粗纱干定为5g/10m；
(3)制备摩擦纳米发电复合纱：将纳米纤维包覆纱和疏水涤纶粗纱分别卷绕在环锭细纱机的两个纱管上，以纳米纤维包覆纱作为芯纱、疏水涤纶粗纱作为外包纱，通过环锭细纱机将疏水涤纶粗纱形成的疏水涤纶微米纤维加捻包覆在纳米纤维包覆纱的外表面上，得到三层结构的摩擦纳米发电复合纱。
实施例3
(1)制备纳米纤维包覆纱：
将纳米氧化锌加入HFIP中，在25℃条件下超声处理60min，得到质量分数为3％的纳米氧化锌溶液；再将PA11颗粒加入到纳米氧化锌溶液中，在65℃下搅拌溶解2h，得到PA11的质量分数为12％的PA11/纳米氧化锌溶液；
再以PA11/纳米氧化锌溶液作为正极和负极的静电纺丝液，以铜丝作为芯纱，采用双电极静电纺丝技术，调控静电纺丝参数(正极电压为5V，负极电压为-5V，旋转收集装置的转速为300r/min，导电纱线的移动速度为0.1mm/s，喷射流速均为0.03mL/h)，并通过常规喷嘴型电纺装置对铜丝进行旋转包覆，形成纳米纤维包覆纱；
(2)制备疏水涤纶粗纱：
对涤纶短纤维依次进行开松、梳理成条和并条，得到涤纶熟条；梳理成条时，锡林和道夫的转速均选择低速；并条时，并条机牵伸倍数为6倍；
将涤纶熟条浸渍于有机硅整理剂中20min后，在温度120℃下烘干20min，得到疏水涤纶熟条；再将疏水涤纶熟条通过粗纱机纺制粗纱，卷绕得到疏水涤纶粗纱；纺制粗纱时，牵伸倍数为7倍，得到粗纱干定为5g/10m；
(3)制备摩擦纳米发电复合纱：将纳米纤维包覆纱和疏水涤纶粗纱分别卷绕在环锭细纱机的两个纱管上，以纳米纤维包覆纱作为芯纱、疏水涤纶粗纱作为外包纱，通过环锭细纱机将疏水涤纶粗纱形成的疏水涤纶微米纤维加捻包覆在纳米纤维包覆纱的外表面上，得到三层结构的摩擦纳米发电复合纱。
实施例4
(1)制备纳米纤维包覆纱：
将纳米氧化锌加入HFIP中，在25℃条件下超声处理60min，得到质量分数为3％的纳米氧化锌溶液；再将PA11颗粒加入到纳米氧化锌溶液中，在65℃下搅拌溶解2h，得到PA11的质量分数为15％的PA11/纳米氧化锌溶液；
再以PA11/纳米氧化锌溶液作为正极和负极的静电纺丝液，以铜丝作为芯纱，采用双电极静电纺丝技术，调控静电纺丝参数(正极电压为5V，负极电压为-5V，旋转收集装置的转速为300r/min，导电纱线的移动速度为0.1mm/s，喷射流速均为0.03mL/h)，并通过常规喷嘴型电纺装置对铜丝进行旋转包覆，形成纳米纤维包覆纱；
(2)制备疏水涤纶粗纱：
对涤纶短纤维依次进行开松、梳理成条和并条，得到涤纶熟条；梳理成条时，锡林和道夫的转速均选择低速；并条时，并条机牵伸倍数为6倍；
将涤纶熟条浸渍于有机硅整理剂中20min后，在温度120℃下烘干20min，得到疏水涤纶熟条；再将疏水涤纶熟条通过粗纱机纺制粗纱，卷绕得到疏水涤纶粗纱；纺制粗纱时，牵伸倍数为7倍，得到粗纱干定为5g/10m；
(3)制备摩擦纳米发电复合纱：将纳米纤维包覆纱和疏水涤纶粗纱分别卷绕在环锭细纱机的两个纱管上，以纳米纤维包覆纱作为芯纱、疏水涤纶粗纱作为外包纱，通过环锭细纱机将疏水涤纶粗纱形成的疏水涤纶微米纤维加捻包覆在纳米纤维包覆纱的外表面上，得到三层结构的摩擦纳米发电复合纱。
表1
| 实施例 | 电压(V) | 电流(μA) | 电荷(nC) |
| 实施例1 | 17.00 | 0.19 | 6.10 |
| 实施例2 | 19.74 | 0.26 | 7.11 |
| 实施例3 | 19.44 | 0.27 | 7.11 |
| 实施例4 | 15.33 | 0.17 | 6.22 |
由表1可以看出，本发明的复合纱均具有良好的电性能输出，且PA11的质量分数为9％时电性能输出最好。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (10)
1.一种摩擦纳米发电复合纱的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)制备纳米纤维包覆纱：以PA11/纳米氧化锌溶液作为正极和负极的静电纺丝液、以导电纱线作为芯纱，采用双电极静电纺丝法，将PA11/纳米氧化锌溶液形成的纳米纤维纱旋转包覆在导电纱线的外表面上，形成纳米纤维包覆纱；
(2)制备疏水涤纶粗纱：以涤纶短纤维为原料，对涤纶短纤维依次进行开松、梳理成条和并条，得到涤纶熟条；再将涤纶熟条进行疏水整理，得到疏水涤纶熟条；再将疏水涤纶熟条纺制成粗纱，得到疏水涤纶粗纱；
(3)制备摩擦纳米发电复合纱：以纳米纤维包覆纱作为芯纱、疏水涤纶粗纱作为外包纱，采用环锭纺工艺将疏水涤纶粗纱形成的疏水涤纶微米纤维加捻包覆在纳米纤维包覆纱的外表面上，得到三层结构的摩擦纳米发电复合纱；内层为导电纱线，作为电极层；中间层为纳米纤维纱，作为电荷储存层；外层为疏水涤纶微米纤维，作为电荷产生层。
2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电复合纱的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，导电纱线采用电导率不小于2.3×107S/m的轻质柔软导电纱线。
3.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电复合纱的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，静电纺丝液的配制具体是：将纳米氧化锌超声溶解于HFIP中；再加入PA11颗粒，搅拌溶解后，得到均相的PA11/纳米氧化锌溶液；
超声溶解的时间为50～70min、温度为20～30℃、超声频率为40kHz；搅拌溶解的时间为1.8～2.5h、温度为60～65℃、转速为55～60r/min；
静电纺丝液中，PA11的浓度为6～15wt％，纳米氧化锌的浓度为1～7wt％。
4.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电复合纱的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，双电极静电纺丝的工艺参数为：正极电压为5～6V，负极电压为-5～-6V，旋转收集装置的转速为200～600r/min；导电纱线的移动速度为0.05～0.3mm/s；正极和负极的静电纺丝液的喷射流速均为0.01～0.05mL/h且喷射流速相同。
5.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电复合纱的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，梳理成条时，锡林和道夫的转速均选择低速；并条时，并条机牵伸倍数为5～7；
常温下将涤纶熟条浸渍于疏水整理剂中10～25min后，再在温度100～150℃下烘干15～30min，得到疏水涤纶熟条；疏水整理剂选用有机硅整理剂；
纺制粗纱时，牵伸倍数为7～9，得到疏水涤纶粗纱的干定量为4～5g/10m。
6.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电复合纱的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，环锭纺工艺是：将疏水涤纶粗纱从后罗拉的后钳口喂入，依次经过后罗拉、中间罗拉和前罗拉这三个罗拉后，从前罗拉的前钳口输出，形成疏水涤纶微米纤维；纳米纤维包覆纱从前罗拉的后钳口喂入，再从前罗拉的前钳口输出；进而将纳米纤维包覆纱和疏水涤纶微米纤维在前区集合，将疏水涤纶微米纤维加捻包覆在纳米纤维包覆纱的外表面，再通过钢丝圈卷绕在筒管上，形成三层结构的摩擦纳米发电复合纱。
7.一种权利要求1-6任一所述制备方法制备得到的摩擦纳米发电复合纱，其特征在于，该复合纱为由内至外的三层结构；内层为导电纱线，作为电极层；中间层为纳米纤维纱，作为电荷储存层；外层为疏水涤纶微米纤维，作为电荷产生层。
8.根据权利要求7所述的摩擦纳米发电复合纱，其特征在于，疏水涤纶微米纤维的质量占复合纱总质量的8～15％；疏水涤纶微米纤维与导电纱线的质量比为0.5～1:1。
9.一种权利要求7或8所述摩擦纳米发电复合纱的应用，其特征在于，将该复合纱作为二维编织物和针织物的纱线原料。
10.根据权利要求9所述的摩擦纳米发电复合纱的应用，其特征在于，当该复合纱作为二维编织物的原料时，具体二维编织工艺是：将该复合纱卷绕在二维编织机的锭子上，将氨纶纤维束作为芯层，通过二维编织工艺将复合纱包覆在氨纶纤维束的外侧，得到二维编织物；二维编织机的转速是10～15r/min；
当该复合纱作为针织物的原料时，通过常规针织工艺制得针织物。
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