CN117568978A - 一种自发电摩擦纳米纱及其制备方法和应用 - Google Patents

一种自发电摩擦纳米纱及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN117568978A
CN117568978A CN202311529819.2A CN202311529819A CN117568978A CN 117568978 A CN117568978 A CN 117568978A CN 202311529819 A CN202311529819 A CN 202311529819A CN 117568978 A CN117568978 A CN 117568978A
Authority
CN
China
Prior art keywords
friction
fiber
yarn
self
core
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311529819.2A
Other languages
English (en)
Inventor
申志鹏
崔红
陈铭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yancheng Institute of Technology
Original Assignee
Yancheng Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yancheng Institute of Technology filed Critical Yancheng Institute of Technology
Priority to CN202311529819.2A priority Critical patent/CN117568978A/zh
Publication of CN117568978A publication Critical patent/CN117568978A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/44—Yarns or threads characterised by the purpose for which they are designed
    • D02G3/441—Yarns or threads with antistatic, conductive or radiation-shielding properties
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/02—Yarns or threads characterised by the material or by the materials from which they are made
    • D02G3/04—Blended or other yarns or threads containing components made from different materials
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00—Inorganic fibres
    • D10B2101/20—Metallic fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2201/00—Cellulose-based fibres, e.g. vegetable fibres
    • D10B2201/01—Natural vegetable fibres
    • D10B2201/02—Cotton
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2201/00—Cellulose-based fibres, e.g. vegetable fibres
    • D10B2201/20—Cellulose-derived artificial fibres
    • D10B2201/28—Cellulose esters or ethers, e.g. cellulose acetate
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2211/00—Protein-based fibres, e.g. animal fibres
    • D10B2211/01—Natural animal fibres, e.g. keratin fibres
    • D10B2211/02—Wool
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2211/00—Protein-based fibres, e.g. animal fibres
    • D10B2211/01—Natural animal fibres, e.g. keratin fibres
    • D10B2211/04—Silk
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2321/00—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D10B2321/02—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polyolefins
    • D10B2321/022—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polyolefins polypropylene
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2321/00—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D10B2321/04—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polymers of halogenated hydrocarbons
    • D10B2321/041—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polymers of halogenated hydrocarbons polyvinyl chloride or polyvinylidene chloride
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2321/00—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D10B2321/04—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polymers of halogenated hydrocarbons
    • D10B2321/042—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polymers of halogenated hydrocarbons polymers of fluorinated hydrocarbons, e.g. polytetrafluoroethene [PTFE]
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2321/00—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D10B2321/06—Fibres made from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds polymers of unsaturated alcohols, e.g. polyvinyl alcohol, or of their acetals or ketals
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2331/00—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products
    • D10B2331/02—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products polyamides
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2331/00—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products
    • D10B2331/04—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products polyesters, e.g. polyethylene terephthalate [PET]
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2331/00—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products
    • D10B2331/10—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products polyurethanes
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2331/00—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products
    • D10B2331/14—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products polycondensates of cyclic compounds, e.g. polyimides, polybenzimidazoles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种自发电摩擦纳米纱及其制备方法和应用，本发明制得的纱线本身具有自发电自驱动功能，不需要通过织物结构的层间组合作为摩擦材料进行发电，普通的织物结构即可实现发电效果，所织造的织物柔韧性增强，可以承受多种复杂的机械变形，如拉伸、扭曲、弯曲和撕裂。在穿着和洗涤过程中表现出优异的结构保持能力和抗疲劳能力。此种纱线大大提高了摩擦纳米发电机织物的适用性，服用、装饰用和产业用都可以使用，而且由于纱线自身就可以用作摩擦纳米发电机织物的经纬纱，从而提高了接触面积使织物的电输出性能提高，制备工艺简单，可以实现大规模产业化生产。

Description

一种自发电摩擦纳米纱及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于功能纺丝技术领域，具体涉及到一种自发电摩擦纳米纱及其制备方法和应用。
背景技术
摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator，TENG)一种新型能量收集和自供电传感技术，它通过接触起电和静电感应耦合效应能够将分布式机械能转化为电能，具有开发为新型能源器件的潜力。
基于纺织品的摩擦纳米发电机(T-TENG)近年来发展迅速，由于T-TENG具有轻便、柔性可穿戴、可拉伸等特点，故在智能纺织品开发领域应用前景广阔。不仅可以作为可植入医疗器件、可穿戴柔性电子器件用于驱动微小型设备，而且可以作为自驱动传感器用于健康检测、人机交互、智能辅助机器人等领域。T-TENG主要有两种设计策略。第一种是在现有纺织品中添加摩擦电材料，如通过静电纺丝、吹纺或涂层将摩擦电材料集成在导电织物上。然而，以这种方式引入的导电或摩擦电材料会影响纺织品穿着的舒适性。多层结构也使得整个系统体积大、刚性强、不易携带。第二种方法是由一维结构设计制备摩擦电纤维或纱线，再通过织造，加工成二维或三维结构。从一维到二维的设计方法赋予了T-TENG设计的高自由度，大大提高了成品的灵活性。由摩擦电纤维或纱线设计和编织的T-TENG具有良好的透气性和变形性，这种方法被认为是制造T-TENG的最佳解决方案。因此，设计和制造性能优异的纤维或纱线基TENG是问题的关键。
纤维/纱线基TENG的制备工艺实现了传统纱线与TENG的结合，由于纤维/纱线基TENG可以方便地集成到智能织物或纺织品中，在可穿戴电源、自供电传感、人体健康监测、人工智能等方面显示出广阔的应用前景。
中国专利CN111519300A公开了一种弹性摩擦纳米发电纱线及其制备方法。该方法包括：将不同电负性的聚合物分别进行共轭静电纺丝，以弹性导电纤维电极为接收级，得到包覆不同电负性的聚合物纳米纤维的弹性导电纤维，然后交织组装。该方法制得的弹性摩擦纳米发电纱线具有较大比表面积，且其表面为纳米纤维结构，有利于提升摩擦表面的接触面积，从而提高器件的输出功率。然而，该发明的纱线在按压状态下产生的电信号强度低，无法持续表达反馈信息。
中国专利CN116837530A公开了一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线及其制备方法和应用。该方法包括：由多根镀银导电纱线和至少一根阻燃防火纱线编织得到；其中，镀银导电纱线相互交错编织形成编织结构，每根阻燃防火纱线的一部分在镀银导电纱线编织作用力下被嵌入编织结构内部，另一部分则由于应力松弛而在编织结构外层堆积形成绒圈结构。发明的三维编织花式摩擦纳米发电纱线，将阻燃防火纱线与摩擦电相结合，在保证优异的摩擦电性能和储能性能的同时，由于三维编织花式摩擦纳米发电纱线外层布满大量柔软阻燃绒圈结构，故其具有优异的柔软舒适性和阻燃防火性。然而，该发明的纱线采用编织纱线的加工方式，所加工纱线的柔软度较差，柔软度会影响织物的机械性能，从而直接影响织物的耐用性和耐磨性。甚至还会影响面料的视觉、触觉风格，以及人体穿着的舒适性。
因此，如何克服传统的摩擦纳米发电机织物厚重和转化效率低的缺陷，并增强织物的服用性能是目前亟待解决的问题。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种自发电摩擦纳米纱。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，
电特性相反的摩擦材料I和摩擦材料II，螺旋包缠于摩擦材料I的外层和摩擦材料II的内层的间隔材料，以及电极材料；
其中，所述电极材料包覆于摩擦材料I的内部或螺旋包缠于摩擦材料I的外层和摩擦材料II的内层，当电极材料包缠于摩擦材料I的外层和摩擦材料II的内层时，间隔材料以更小的螺距包缠于摩擦材料I的外层和摩擦材料II的内层。
作为本发明所述的自发电摩擦纳米纱一种优选方案，其中：所述自发电摩擦纳米纱通过摩擦材料I和摩擦材料II的接触分离实现自发电。
具体的，本发明的纱线在受到挤压时两种摩擦材料相互接触，利用摩擦电效应及静电感应两种原理的结合，两种对电子束缚能力不同的材料相互摩擦时，由于得失电子能力不同发生电子转移。当压力去除时由于间隔材料的作用两种摩擦材料分离产生空间间隙，形成电势差。为平衡电势差，自由电子沿着电极材料(导电纱)流动，此时在外电路中形成瞬时电流。随距离不断增大，由于电极屏蔽效应，电荷被完全屏蔽，此时外电路电流为零。而后再次施加压力两种摩擦材料接触，空间间隙的减少使得两种摩擦材料的电势差不断降低，自由电子反向流动，得到反向电信号。直至两个表面重新接触，电势差达到平衡，外电路电流重新归零。纱线内部若发生周期性接触分离，就会持续产生交流电信号，可以收集人体运动过程中的机械能来转化为电能。
作为本发明所述的自发电摩擦纳米纱一种优选方案，其中：所述摩擦材料I为短纤维、短纤维纱或长丝，包括羊毛纤维、蚕丝纤维、尼龙11纤维、尼龙66纤维、棉纤维、聚酰亚胺纤维、聚氯乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚丙烯纤维中的一种。
作为本发明所述的自发电摩擦纳米纱一种优选方案，其中：所述摩擦材料II为短纤维，包括羊毛纤维、蚕丝纤维、尼龙11纤维、尼龙66纤维、棉纤维、聚酰亚胺纤维、聚氯乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚丙烯纤维中的一种。
作为本发明所述的自发电摩擦纳米纱一种优选方案，其中：所述间隔材料为不易发生电子的得失的中性长丝或短纤维纱，包括聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、醋酸纤维、聚氨酯纤维中的一种。
作为本发明所述的自发电摩擦纳米纱一种优选方案，其中：所述电极材料为具有导电性能的长丝或短纤维纱，包括含金属的纤维、聚合物中混有导电介质的化学纤维、含碳纤维中的一种。
本发明的再一目的是，提供一种自发电摩擦纳米纱的制备方法，包括，
以电极材料为芯，摩擦材料I以散纤维的形式作为外包材料摩擦纺纱机上进行第一次包芯，得到芯材I；
以芯材I为芯，间隔材料为外包材料，在花式捻线机上进行第一次包缠，得到芯材II；
以芯材II为芯，摩擦材料II以散纤维的形式作为外包材料再次在摩擦纺纱机上进行包缠，得到有芯的自发电摩擦纳米纱；
还包括，
以摩擦材料I为芯，电极材料作为外包材料摩擦纺纱机上进行第一次包缠，得到芯材I；
以芯材I为芯，间隔材料为外包材料，在花式捻线机上进行第二次包缠，得到芯材II；
以芯材II为芯，摩擦材料II以散纤维的形式作为外包材料再次在摩擦纺纱机上进行包缠，得到无芯的自发电摩擦纳米纱。
作为本发明所述的自发电摩擦纳米纱的制备方法一种优选方案，其中：所述有芯的自发电摩擦纳米纱的纺纱工艺中，花式捻线机的上捻度100-500T/m。
作为本发明所述的自发电摩擦纳米纱的制备方法一种优选方案，其中：所述无芯的自发电摩擦纳米纱的纺纱工艺中，第一次包缠花式捻线机的上捻度100-500T/m，第二次包缠花式捻线机的上捻度100-500T/m，第一次包缠的捻度与第二次包缠的捻度不同。
本发明的再一目的是，提供一种自发电摩擦纳米纱在制备基于纺织品的摩擦纳米发电机中的应用。
本发明有益效果：
(1)发明的有芯自发电摩擦纳米发电纱线，在两种摩擦材料的中间螺旋包缠间隔材料，纱线本身在间隔材料的作用下，在人体运动时两种摩擦材料不断地接触分离，会持续产生电信号，能够产生摩擦电并具有储能作用，并能阻燃隔热保暖，舒适的同时实现多重功能。
(2)本发明的无芯自发电摩擦纳米发电纱线，在两种摩擦材料的中间螺旋包缠电极材料，间隔材料以更小的螺距包缠，在人体运动时两种摩擦材料不断地接触分离，会持续产生电信号，能够产生摩擦电并具有储能作用，电信号可由电极材料输出，能直接织成各种织物结构即能实现电荷输出，舒适多功能的同时附加值更高。
(3)本发明制得的纱线本身具有自发电自驱动功能，不需要通过织物结构的层间组合作为摩擦材料进行发电，普通的织物结构即可实现发电效果，所织造的织物柔韧性增强，可以承受多种复杂的机械变形，如拉伸、扭曲、弯曲和撕裂。在穿着和洗涤过程中表现出优异的结构保持能力和抗疲劳能力。此种纱线大大提高了摩擦纳米发电机织物的适用性，服用、装饰用和产业用都可以使用，而且由于纱线自身就可以用作摩擦纳米发电机织物的经纬纱，从而提高了接触面积使织物的电输出性能提高，制备工艺简单，可以实现大规模产业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例1中第一次包芯的示意图(1-摩擦材料I，2-电极材料，3-间隔材料)。
图2为本发明实施例1中第一次包缠的示意图(1-摩擦材料I，2-电极材料，3-间隔材料，4-摩擦材料II)。
图3为本发明实施例1中制得纱线的横截面示意图(1-摩擦材料I，2-电极材料，3-间隔材料，4-摩擦材料II，5-成纱后由间隔材料3螺旋缠绕在摩擦材料I外表面形成的不规则间隙)。
图4为本发明实施例1中制得纱线的截面实物图。
图5为本发明实施例1制得的纱线截成不同长度的电输出性能。
图6为本发明实施例2制得的纱线横截面实物图。
图7为本发明实施例3中第一次包缠的示意图(1-摩擦材料I，2-电极材料，3-间隔材料)。
图8为本发明实施例3中第一次包芯的示意图(1-摩擦材料I，2-电极材料，3-间隔材料，4-摩擦材料II)。
图9为本发明实施例3中制得纱线的横截面示意图(1-摩擦材料I，2-电极材料，3-间隔材料，4-摩擦材料II，5-成纱后由间隔材料3螺旋缠绕在摩擦材料I和电极材料外层形成的不规则间隙)。
图10为本发明实施例3中制得纱线的截面实物图。
图11为本发明实施例4中制得纱线的截面实物图。
图12为本发明实施例5纺制织物的上机图。
图13为本发明实施例5制得的自发电织物实物图。
图14为本发明实施例5制得的自发电织物的电输出性能图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明中通过拍打仪拍打不同长度的纱线以及织物测定电输出性能；
本发明通过织物强力仪测定纱线强力。
本发明所用原料或设备无特殊说明均为本领域可常规获取的。
实施例1
参照图1～图5，本实施例提供了一种有芯自发电摩擦纳米发电纱线的制备方法，具体制备工艺为：
参照图1，以电极材料(镀银锦纶长丝)为芯，摩擦材料I(羊毛纤维纱)以散纤维的形式作为外包材料，在摩擦纺纱机上进行第一次包芯，得到芯材I；
其中，摩擦纺纱机工艺参数：刺辊转速2400r/min；尘笼转速2280r/min；纺纱速度200m/min；
以芯材I为芯，间隔材料(涤纶纱线)为外包材料，在花式捻线机上进行第一次包缠，得到芯材II；
其中，花式捻线机工艺参数：包缠空心锭转速2000r/min；上捻度200T/m，速比为1；
参照图2，以芯材II为芯，摩擦材料II(聚酰亚胺纤维)以散纤维的形式作为外包材料再次在摩擦纺纱机上进行包缠，得到有芯自发电摩擦纳米发电纱线，其横截面示意图如图3所示，横截面实物图如图4所示。
将得到的连续式纱线分别截成10、20、30、40、50cm，测定不同长度下自发电摩擦纳米发电纱线的电输出性能，结果如图5以及表1所示，采用织物强力仪，在不同夹持距下测定50cm织物的力学性能，结果如表2所示。
表1不同长度有芯摩擦纳米发电纱线的最高最低电压值/V
纱线长度 最高值/V 最低值/V
10cm 4.96 -3.04
20cm 7.28 -4.00
30cm 11.40 -8.00
40cm 13.20 -14.00
50cm 15.80 -10.20
表2不同夹持距测定的有芯摩擦纳米发电纱线的力学性能
不同夹持距 断裂强力/N 伸长/mm 伸长率/％ 断裂功/J
50mm 57.48 36.35 72.40 0.12
100mm 55.35 51.65 57.44 0.17
200mm 54.88 102.19 184.35 0.31
可以看出，本实施例制得的自发电摩擦纳米发电纱线在任意长度下均具有良好的电输出性能以及力学性能。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，调换摩擦材料I和摩擦材料II的材料种类，具体制备工艺为：
以电极材料(镀银锦纶长丝)为芯，摩擦材料I(聚酰亚胺纤维)以散纤维的形式作为外包材料，在摩擦纺纱机上进行第一次包芯，得到芯材I；
以芯材I为芯，间隔材料(涤纶纱线)为外包材料，在花式捻线机上进行第一次包缠，得到芯材II；
以芯材II为芯，摩擦材料II(羊毛纤维纱)以散纤维的形式作为外包材料再次在摩擦纺纱机上进行包缠，其余工艺步骤参数均与实施例1相同，得到本实施例的有芯自发电摩擦纳米发电纱线，其横截面实物图如图6所示。
将得到的连续式纱线分别截成10、20、30、40、50cm，测定不同长度下自发电摩擦纳米发电纱线的电输出性能，结果如表3所示。
表3
可以看出，本实施例不同长度下的自发电摩擦纳米发电纱线均具有良好的电输出性能，但以羊毛纤维作为最外层材料的电输出性能相较于以聚酰亚胺纤维为最外层材料略有降低。
实施例3
本实施例提供了一种无芯自发电摩擦纳米发电纱线的制备方法，具体制备工艺为：
参照图7，以摩擦材料I(羊毛纤维纱)为芯，以电极材料(镀银锦纶长丝)作为外包材料，在花式捻线机上进行第一次包缠，得到芯材I；
其中，第一次包缠的花式捻线机工艺参数：空心锭转速2000r/min；上捻度200T/m；速比为1；
以芯材I为芯，间隔材料(涤纶纱线)为外包材料，在花式捻线机上进行第二次包缠，得到芯材II；
其中，第二次包缠的花式捻线机工艺参数：空心锭转速2000r/min；上捻度150T/m；速比1
参照图8，以芯材II为芯，摩擦材料II(聚酰亚胺纤维)以散纤维的形式作为外包材料完全包覆在芯材II外侧，在摩擦纺纱机上进行第一次包芯，得到无芯自发电摩擦纳米发电纱线；
其中，摩擦纺纱机工艺参数：刺辊转速2400r/min；尘笼转速2280r/min；纺纱速度200m/min；
得到的无芯自发电摩擦纳米发电纱线的横截面示意图如图9所示，横截面实物图如图10所示，得到的连续式纱线分别截成10、20、30、40、50cm，测定不同长度下无芯自发电摩擦纳米发电纱线的电输出性能，结果如表4所示。
表4
这个数据应该是写错了，趋势不对，而且根据调整材料的表格数据来看，应该是5.25最高值，请核对并修改。
可以看出，本实施例制得的无芯自发电摩擦纳米发电纱线在任意长度下均具有良好的电输出性能。
实施例4
本实施例与实施例4不同之处在于，本实施例与实施例1不同之处在于，调换摩擦材料I和摩擦材料II的材料种类，具体制备工艺为：
以摩擦材料I(聚酰亚胺纤维)为芯，以电极材料(镀银锦纶长丝)作为外包材料，在花式捻线机上进行第一次包缠，得到芯材I；
以芯材I为芯，间隔材料(涤纶纱线)为外包材料，在花式捻线机上进行第二次包缠，得到芯材II；
以芯材II为芯，摩擦材料II(羊毛纤维纱)以散纤维的形式作为外包材料完全包覆在芯材II外侧，在摩擦纺纱机上进行第一次包芯，得到本实施例的无芯自发电摩擦纳米发电纱线其横截面实物图如图11所示，得到的连续式纱线分别截成10、20、30、40、50cm，测定不同长度下无芯自发电摩擦纳米发电纱线的电输出性能，结果如表5所示。
表5
纱线长度 最高值/V 最低值/V
10cm 0.96 -1.44
20cm 1.36 -2.00
30cm 2.00 -3.04
40cm 2.4 -3.60
50cm 2.56 -3.92
可以看出，本实施例不同长度下自发电摩擦纳米发电纱线均具有良好的电输出性能，但以羊毛纤维作为最外层材料的电输出性能相较于以聚酰亚胺纤维为最外层材料略有降低。
实施例5
参照图12～13，本实施例提供了一种实施例1制得的自发电摩擦纳米纱在制备自发电织物中的应用，具体为；
经纬纱选用：经纱采用14.2×2tex的涤纶股线，纬纱采用实施例1的摩擦纳米发电纱；
整经工序：采用SGA211型高速整经机，该机采用可调节双柱式张力器，张力分档可以调节，张力均匀，波动小。
穿综工序：采用顺穿法；
穿筘工序：选用公制筘号为80的筘齿，采用二入；
开口：采取“小开口,早开口,大张力”工艺原则；
根据图12所示上机图纺制织物，得到如图13所示的自发电织物，测定其电输出性能，结果如图14所示，输出电压达到了138V。
实施例6
本实施例用以探究有芯摩擦纳米发电纱线制备过程中，不同摩擦材料的种类对制得纱线电输出性能和力学性能的影响，与实施例1不同之处在于：
调整摩擦材料I的种类分别为羊毛纤维、蚕丝纤维、棉纤维、尼龙纤维中的一种，其余步骤工艺参数均参照实施例1，得到不同摩擦材料制得的摩擦纳米发电纱，截取50cm长，测定其电输出性能以及50mm夹持距下的断裂强力，结果如表6所示。
表6
摩擦材料I种类 电输出/V 强力/N
羊毛 15.80 57.48
蚕丝 14.93 47.00
棉 12.80 37.80
尼龙 16.70 42.00
从表6可以看出，不同种类的摩擦材料I对制得纱线的性能具有显著影响，以羊毛纤维作为摩擦材料I具有最优的电输出性能和力学性能。
实施例7
本实施例用以探究有芯摩擦纳米发电纱线制备过程中，不同摩擦材料的种类对制得纱线电输出性能和力学性能的影响，与实施例2不同之处在于：
调整摩擦材料II的种类分别为羊毛纤维、蚕丝纤维、棉纤维、尼龙纤维中的一种，其余步骤工艺参数均参照实施例2，得到不同摩擦材料制得的摩擦纳米发电纱，截取50cm长，测定其电输出性能以及50mm夹持距下的断裂强力，结果如表7所示。
表7
摩擦材料II种类 电输出/V 强力/N
羊毛 9.60 50.00
蚕丝 8.82 49.00
棉 7.91 48.86
尼龙 12.34 51.00
从表7可以看出，调换摩擦材料I、II的种类后，不同种类的摩擦材料II对制得纱线的性能具有显著影响，仍旧是以羊毛纤维作为摩擦材料II能够兼顾最优的电输出性能和力学性能。
实施例8
本实施例用以探究无芯摩擦纳米发电纱线制备过程中，不同摩擦材料的种类对制得纱线电输出性能和力学性能的影响，与实施例3不同之处在于：
调整摩擦材料I的种类分别为羊毛纤维、蚕丝纤维、棉纤维、尼龙纤维中的一种，其余步骤工艺参数均参照实施例3，得到不同摩擦材料制得的摩擦纳米发电纱，截取50cm长，测定其电输出性能以及50mm夹持距下的断裂强力，结果如表8所示。
表8
摩擦材料I种类 电输出/V 强力/N
羊毛 5.25 55.00
蚕丝 5.03 53.60
棉 4.68 55.86
尼龙 6.23 51.00
从表8可以看出，不同种类的摩擦材料I对制得的无芯纱线的电输出性能具有显著影响，对力学性能影响较低，以尼龙纤维作为摩擦材料I具有最优的电输出性能。
实施例9
本实施例用以探究无芯摩擦纳米发电纱线制备过程中，不同摩擦材料的种类对制得纱线电输出性能和力学性能的影响，与实施例4不同之处在于：
调整摩擦材料II的种类分别为羊毛纤维、蚕丝纤维、棉纤维、尼龙纤维中的一种，其余步骤工艺参数均参照实施例4，得到不同摩擦材料制得的摩擦纳米发电纱，截取50cm长，测定其电输出性能以及50mm夹持距下的断裂强力，结果如表9所示。
表9
摩擦材料II种类 电输出/V 强力/N
羊毛 2.56 65.12
蚕丝 2.53 62.00
棉 2.03 61.20
尼龙 3.32 61.50
从表9可以看出，调换摩擦材料I、II的种类后，不同种类的摩擦材料II对制得的无芯纱线的电输出性能以及力学性能均具有一定影响，以尼龙纤维的电输出性能最优。
实施例10
本实施例用以探究有芯摩擦纳米发电纱线制备过程中，第一次包缠时，不同花式捻线机的上捻度对技术效果的影响，与实施例1不同之处在于：
调整上捻度分别为100、200、300、400、500T/m，其余步骤工艺参数均参照实施例1，得到不同上捻度制得的摩擦纳米发电纱，截取50cm长，测定其电输出性能以及50mm夹持距下的断裂强力，结果如表10所示。
表10
实施例11
本实施例用以探究无芯摩擦纳米发电纱线制备过程中，第一次包缠时，不同花式捻线机的上捻度对技术效果的影响，与实施例3不同之处在于：
调整第一次包缠的上捻度分别为100、150、200、250、300T/m，其余步骤工艺参数均参照实施例3，得到不同上捻度制得的摩擦纳米发电纱，截取50cm长，测定其电输出性能以及50mm夹持距下的断裂强力，结果如表11所示。
表11
上捻度 电输出/V 强力/N
100 3.28 50.67
150 4.35 53.24
200 5.25 55.08
250 4.63 59.57
300 3.59 61.23
实施例12
本实施例用以探究无芯摩擦纳米发电纱线制备过程中，第二次包缠时，不同花式捻线机的上捻度对技术效果的影响，与实施例3不同之处在于：
调整第二次包缠上捻度分别为50、100、150、200、250T/m，其余步骤工艺参数均参照实施例3，得到不同上捻度制得的摩擦纳米发电纱，截取50cm长，测定其电输出性能以及50mm夹持距下的断裂强力，结果如表12所示。
表12
从表10～表12可以看出，无论是有芯纳米发电纱还是无芯纳米发电纱的制备过程中，上捻度对技术效果均有显著影响，这是由于本发明的自发电摩擦纳米纱的发电机理是由于人体或物体的运动会导致摩擦材料I和摩擦材料II的接触分离，这种接触分离是由于间隔材料螺旋包缠在摩擦材料I和摩擦材料II的中间层所形成的空隙所造成的，而纺纱时的捻度会影响该空隙大小，因此使得纱线的性能产生差异。
对比例1
引用Helical Fiber Strain Sensors Based onTriboelectric Nanogeneratorsfor SelfPowered Human Respiratory Monitoring，Chuan Ning,Renwei Cheng,YangJiang,Feifan Sheng,Jia Yi,Shen Shen,Yihan Zhang,Xiao Peng,Kai Dong,and ZhongLin Wang；
根据其记载——
以两种不同电特性的摩擦材料(PFTE和尼龙纤维)编织在电极材料(Ag涂层)上形成包芯纱，然后再交替包缠到可拉伸基底芯纱上，通过外力拉伸纱线使得两种电特性不同的材料接触发生电子的转移形成电流，外力去除后两种摩擦材料分离，该纱线制成织物输出电压为40V，远远低于本发明的138V。
对比例2
引用CN111519300A，一种弹性摩擦纳米发电纱线及其制备方法；
根据其记载——
以多股氨纶为中心轴，若干根镀银尼龙纤维螺旋缠绕在氨纶上制成的弹性导电纤维为接收级，分别将PVDF和PHBV包覆在弹性导电纤维电极表面，得到PVDF包覆的弹性导电纤维电极和PVDF包覆的弹性导电纤维电极；
选取2根上述制备好的PVDF包覆的弹性导电纤维电极与2根PVDF包覆的弹性导电纤维电极，交织3圈，组装形成弹性摩擦纳米发电纱线，在拉伸比100％、拉伸频率2Hz的条件下得到输出电压约为8V，相较于本发明，该纱线在按压状态下产生的电信号强度低，无法持续表达反馈信息。
对比例3
引用CN116837530A，一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线及其制备方法和应用；
根据其记载——
多根镀银导线和至少一根防火纱线编织得到，其中，镀银导电纱线相互交错编织形成编织结构，每根阻燃防火纱线的一部分在镀银导电纱线编织作用力下被嵌入编织结构内部，另一部分则由于应力松弛而在编织结构外层堆积形成绒圈结构，其力学性能远低于本发明。
综上，本发明的有芯自发电摩擦纳米发电纱线，在两种摩擦材料的中间螺旋包缠间隔材料，纱线本身在间隔材料的作用下，在人体运动时两种摩擦材料不断地接触分离，会持续产生电信号，能够产生摩擦电并具有储能作用，并能阻燃隔热保暖，舒适的同时实现多重功能。
本发明的无芯自发电摩擦纳米发电纱线，在两种摩擦材料的中间螺旋包缠电极材料，间隔材料以更小的螺距包缠，在人体运动时两种摩擦材料不断地接触分离，会持续产生电信号，能够产生摩擦电并具有储能作用，电信号可由电极材料输出，能直接织成各种织物结构即能实现电荷输出，舒适多功能的同时附加值更高。
本发明制得的纱线本身具有自发电自驱动功能，不需要通过织物结构的层间组合作为摩擦材料进行发电，普通的织物结构即可实现发电效果，所织造的织物柔韧性增强，可以承受多种复杂的机械变形，如拉伸、扭曲、弯曲和撕裂。在穿着和洗涤过程中表现出优异的结构保持能力和抗疲劳能力。此种纱线大大提高了摩擦纳米发电机织物的适用性，服用、装饰用和产业用都可以使用，而且由于纱线自身就可以用作摩擦纳米发电机织物的经纬纱，从而提高了接触面积使织物的电输出性能提高，制备工艺简单，可以实现大规模产业化生产。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种自发电摩擦纳米纱，其特征在于：包括，
电特性相反的摩擦材料I和摩擦材料II，螺旋包缠于摩擦材料I的外层和摩擦材料II的内层的间隔材料，以及电极材料；
其中，所述电极材料包覆于摩擦材料I的内部或螺旋包缠于摩擦材料I的外层和摩擦材料II的内层，当电极材料包缠于摩擦材料I的外层和摩擦材料II的内层时，间隔材料以更小的螺距包缠于摩擦材料I的外层和摩擦材料II的内层。
2.如权利要求1所述的自发电摩擦纳米纱，其特征在于：所述自发电摩擦纳米纱通过摩擦材料I和摩擦材料II的接触分离实现自发电。
3.如权利要求1所述的自发电摩擦纳米纱，其特征在于：所述摩擦材料I为短纤维、短纤维纱或长丝，包括羊毛纤维、蚕丝纤维、尼龙11纤维、尼龙66纤维、棉纤维、聚酰亚胺纤维、聚氯乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚丙烯纤维中的一种。
4.如权利要求1所述的自发电摩擦纳米纱，其特征在于：所述摩擦材料II为短纤维，包括羊毛纤维、蚕丝纤维、尼龙11纤维、尼龙66纤维、棉纤维、聚酰亚胺纤维、聚氯乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚丙烯纤维中的一种。
5.如权利要求1所述的自发电摩擦纳米纱，其特征在于：所述间隔材料为不易发生电子的得失的中性长丝或短纤维纱，包括聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、醋酸纤维、聚氨酯纤维中的一种。
6.如权利要求1所述的自发电摩擦纳米纱，其特征在于：所述电极材料为具有导电性能的长丝或短纤维纱，包括含金属的纤维、聚合物中混有导电介质的化学纤维、含碳纤维中的一种。
7.如权利要求1~6任一所述的自发电摩擦纳米纱的制备方法，其特征在于：包括，
以电极材料为芯，摩擦材料I以散纤维的形式作为外包材料摩擦纺纱机上进行第一次包芯，得到芯材I；
以芯材I为芯，间隔材料为外包材料，在花式捻线机上进行第一次包缠，得到芯材II；
以芯材II为芯，摩擦材料II以散纤维的形式作为外包材料再次在摩擦纺纱机上进行包缠，得到有芯的自发电摩擦纳米纱。
8.如权利要求7所述的自发电摩擦纳米纱的制备方法，其特征在于：还包括，
以摩擦材料I为芯，电极材料作为外包材料摩擦纺纱机上进行第一次包缠，得到芯材I；
以芯材I为芯，间隔材料为外包材料，在花式捻线机上进行第二次包缠，得到芯材II；
以芯材II为芯，摩擦材料II以散纤维的形式作为外包材料再次在摩擦纺纱机上进行包缠，得到无芯的自发电摩擦纳米纱。
9.如权利要求7所述的自发电摩擦纳米纱的制备方法，其特征在于：所述有芯的自发电摩擦纳米纱的纺纱工艺中，花式捻线机的上捻度100-500 T/m。
10.如权利要求8所述的自发电摩擦纳米纱的制备方法，其特征在于：所述无芯的自发电摩擦纳米纱的纺纱工艺中，第一次包缠花式捻线机的上捻度100-500 T/m，第二次包缠花式捻线机的上捻度100-500 T/m，第一次包缠的捻度与第二次包缠的捻度不同。
11.如权利要求1~6任一所述的自发电摩擦纳米纱在制备基于纺织品的摩擦纳米发电机中的应用。
CN202311529819.2A 2023-11-16 2023-11-16 一种自发电摩擦纳米纱及其制备方法和应用 Pending CN117568978A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311529819.2A CN117568978A (zh) 2023-11-16 2023-11-16 一种自发电摩擦纳米纱及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311529819.2A CN117568978A (zh) 2023-11-16 2023-11-16 一种自发电摩擦纳米纱及其制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117568978A true CN117568978A (zh) 2024-02-20

Family

ID=89883737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311529819.2A Pending CN117568978A (zh) 2023-11-16 2023-11-16 一种自发电摩擦纳米纱及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117568978A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4773952B2 (ja) 電気的伝導性弾性複合糸、それを製造する方法、及びそれを含む物品
US3038295A (en) Elastic high-bulk yarn
CN102312307B (zh) 一种吸波高弹纱及其生产设备和生产方法
CN107385623B (zh) 一种柔性应变传感机织物及其制作工艺
WO2018202905A1 (en) Yarns with conductive elastomeric cores, fabrics and garments formed of the same, and methods for producing the same
CN108796755B (zh) 基于静电摩擦效应的发电布料及发电衣
CN113174670B (zh) 一种压力传感纤维、纱线、织物、器件及其制备方法
KR101694677B1 (ko) 무광택 고신축 폴리에스테르 복합사 및 이를 이용한 직물의 제조방법
CN110129942A (zh) 弹性导电纱线及其制备方法
CN108385257A (zh) 一种可拉伸织物电路
Cui et al. Fibrous triboelectric nanogenerators: fabrication, integration, and application
CN117568978A (zh) 一种自发电摩擦纳米纱及其制备方法和应用
JP6624968B2 (ja) 圧電センサ
CN209798197U (zh) 一种抗静电碳黑纤维长丝
CN113403721A (zh) 一种变弹性导电纱线及其制备方法
CN1168864C (zh) 弹性气捻加工纱及其制造方法
CN111074400A (zh) 一种涡流纺电磁屏蔽织物及纺织方法
CN218577199U (zh) 一种抗静电涤纶棉混纺面料
CN216156082U (zh) 一种仿棉锦纶短纤面料
CN211972590U (zh) 一种高牢度铜氨人棉交织绉布
CN211972587U (zh) 一种涡流纺电磁屏蔽织物
CN213733869U (zh) 一种针织弹力服装面料
Chen et al. Recent progress in the fabrication and processing of triboelectric yarns
CN213978043U (zh) 一种多功能新型梭织面料
CN114875535A (zh) 一种复合结构自供能纱线的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination