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

1.本发明涉及纺织技术领域，尤其涉及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。


背景技术：

2.纺织基摩擦纳米发电机(textile-based triboelectric nanogenerator，teng)是一种新型的可穿戴设备，利用纤维间的机械摩擦产生电能，从而实现能量的收集和转化。teng技术已经得到了广泛的研究和应用，尤其是在可穿戴设备和自供电系统方面具有重要的应用前景。teng技术的理论基础是摩擦电效应和静电感应。当两个纺织材料表面之间发生摩擦时，它们之间的电荷会发生重排，产生静电场。这种静电场可以被用来产生电流，并驱动电子设备。teng利用纤维间的机械摩擦来产生电荷分离，并将其转换为电能。它具有柔性、可穿戴、可拉伸、轻便等优点，并且可以与纺织品一起制成，从而为智能纺织品等领域提供了广泛的应用前景。例如，它可以应用于可穿戴设备、智能纺织品、智能医疗、智能家居等领域，为这些领域提供自供电的解决方案。当前，teng技术已经得到了广泛的研究和应用，不仅在实验室中有很多成功的案例，也已经商业化应用于一些产品中。然而，对于消防用teng的研发和应用仍然存在一些挑战需要克服。为了满足特殊环境下的使用需求，需要开发一种消防用纺织基摩擦纳米发电机。它需要在保证优异的摩擦电性能和储能性能的同时，具有优异的阻燃防火性能，以有效阻止火势的蔓延，确保在火灾环境下的使用安全和寿命。
3.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，且该纱线不具备阻燃防火性能，应用到消防地毯领域甚至会加剧灾情。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出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。
5.本发明的一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线，三维编织花式摩擦纳米发电纱线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。
6.进一步的，所述镀银导电纱线为镀银尼龙缝纫线或镀银涤纶缝纫线。
7.进一步的，所述镀银导电纱线根数范围为4～32根。
8.进一步的，所述镀银导电纱线根数为偶数。
9.进一步的，所述阻燃防火纱线为聚酰亚胺纱线或芳纶纱线。
10.进一步的，所述阻燃防火纱线的根数范围为1～10根。
11.一种如上述的三维编织花式摩擦纳米发电纱线的制备方法，将卷绕有镀银导电纱线的纱锭两两对立地装配在高速编织机的编织锭上，镀银导电纱线从纱锭上退绕，经独立导纱轮和张力轮后聚集于高速编织机的轴心部位；阻燃防火纱线从位于高速编织机轴心的自动张力控制送纱器导入，在自适应张力控制下搭靠在由纱锭输出的镀银导电纱线上方；高速编织机在编程轨迹指令下，编织锭分成两组轨迹做圆周运动，使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，制得三维编织花式摩擦纳米发电纱线。
12.进一步的，所述高速编织机的编织速度为10～1000r/min，编织节距为1～10mm，编织角为0～90
°
。
13.进一步的，所述自动张力控制送纱器的张力为0～10n。
14.一种如上述的三维编织花式摩擦纳米发电纱线在消防制品上的应用。
15.本发明通过采用编织技术，利用高速编织机的编织锭的反复循环运动，使得多根镀银导电芯纱按照编织锭的编程轨迹做圆周运动并相互交织包缠形成编织结构；同时，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，制得三维编织花式摩擦纳米发电纱线。
16.本发明可以通过控制镀银导电芯纱与阻燃防火鞘纱的根数以及高速编织机的编织速度、编织节距和编织角，可以调节三维编织花式摩擦纳米发电纱线的绒圈结构的绒圈密度和绒圈高度，从而得到不同结构和摩擦电性能的三维编织花式摩擦纳米发电纱线。随着镀银导电芯纱与阻燃防火鞘纱根数的增多、编织速度与编织节距以及送纱张力的降低以及编织角的增大，三维编织结构的绒圈密度和绒圈高度增加，使得阻燃防火鞘纱形成的绒圈更加完好地包覆镀银导电芯纱，且三维编织花式摩擦纳米发电纱线摩擦表面积和电势差增大，从而表现出优异的摩擦电性能。
17.阻燃防火纱线的自由度随张力的增大而降低；当自动张力控制送纱器施加的张力越大时，阻燃防火纱线逐渐趋于绷直状态，其运动受到位于边缘的镀银导电纱线旋转作用力的影响较小，并逐渐向编织轴心部位靠拢，形成的绒圈高度越低。
18.绒圈结构会改变三维编织花式摩擦纳米发电纱线的比表面积，进而影响其电输出性能；绒圈高度低且稀疏的绒圈结构与带有正负电荷的材料相互接触分离的比表面积小，所产生的电信号强度较低；绒圈高度高且密集的绒圈结构具有更大的比表面积，使得其与带有正负电荷的材料相互接触分离时，产生更大的电势差，具有更高的电输出性能。
19.本发明制备工艺简单，能用于大规模工业化生产，本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，以有效阻止火势的蔓延，确保在火灾环境下逃生人员以及基础设施的安全，能广泛应用于智能消防等领域，具有良好的市场前景以及应用价值。
附图说明
20.图1是本发明的制备方法中使用的高速编织机的编织工艺示意图；
21.图2是本发明实施例1制备的三维编织花式摩擦纳米发电纱线的图片，其中，(a)花式纱线宏观图；(b)截面显微图；
22.图3是本实施例1和实施例2中的三维编织花式摩擦纳米发电纱线的开路电压-导电芯纱/防火鞘纱根数的点线图；
23.图4是本发明实施例1中三维编织花式摩擦纳米发电纱线的开路电压-时间/自动张力控制送纱器张力的曲线图；
24.图5是本发明实施例1中三维编织花式摩擦纳米发电纱线的开路电压-时间/摩擦频率的曲线图；
25.图6是本发明实施例1中三维编织花式摩擦纳米发电纱线的开路电压-时间/万次循环的曲线图；
26.图7是本发明实施例1中三维编织花式摩擦纳米发电纱线在不同电容容量下充电的曲线图。
27.图中：1-镀银导电纱线；2-阻燃防火纱线；3-纱锭；4-编织锭；5-自动张力控制送纱器；6-三维编织花式摩擦纳米发电纱线。
具体实施方式
28.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
29.实施例1
30.本实施例将空纱锭夹持在自动卷绕机的转轴和推杆之间，镀银导电纱线从后梁引入，经过导纱轮后系于空纱锭上。在转轴的高速回转以及导纱轮的往返横移运动下，镀银导电纱线1均匀卷绕在纱锭上。
31.参见附图1，将纱锭3两两对立地装配在高速编织机的编织锭4上，镀银导电纱线1从纱锭3上退绕，经独立导纱轮和张力轮后聚集于高速编织机的轴心部位；阻燃防火纱线2从位于高速编织机轴心的自动张力控制送纱器5导入，在自适应张力控制下搭靠在由纱锭3输出的镀银导电纱线1上方；高速编织机在特定编程轨迹指令下，编织锭4分成两组轨迹做圆周运动，使镀银导电纱线1相互交错编织，且阻燃防火纱线2以外露绒圈的形式被部分嵌入编织结构内部，形成一种绒圈结构的三维编织花式摩擦纳米发电纱线6。
32.在上述编织过程中，各参数分别设置如下：镀银导电纱线为镀银尼龙缝纫线，其根数为16根；阻燃防火纱线为聚酰亚胺纱线，其根数为4根；高速编织机的编织速度为500r/min，编织节距为1mm，编织角为45
°
，自动张力控制送纱器张力为0n。
33.图2是本发明实施例1制备的三维编织花式摩擦纳米发电纱线的图片，其中，(a)花式纱线宏观图；(b)截面显微图。图中截面显示镀银导电纱线与阻燃防火纱线均是螺旋编织结构。
34.实施例2
35.改变实施例1的制备方法中的镀银导电纱线和阻燃防火纱线的根数，其他参数不变，将得到的不同的三维编织花式摩擦纳米发电纱线。
36.实施例3
37.本实施例提供了一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线及其制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了所用原料种类与数量，并调整了各项编织工艺参数：镀银导电纱线为镀银涤纶缝纫线，其根数为12根；阻燃防火纱线为芳纶纱线，其根数为3根；高速编织机的编织速度为300r/min，编织节距为0.5mm，编织角为60
°
，自动张力控制送纱器张力为1n。
38.实施例4
39.本实施例提供了一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线及其制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了所用原料种类与数量，并调整了各项编织工艺参数：镀银导电纱线为镀银涤纶缝纫线，其根数为8根；阻燃防火纱线为芳纶纱线，其根数为2根；高速编织机的编织速度为800r/min，编织节距为2mm，编织角为35
°
，自动张力控制送纱器张力为2n。
40.将实施例1和实施例2得到的三维编织花式摩擦纳米发电纱线均进行电输出性能测试，性能结果如图3所示。当导电纱线为16根且防火鞘纱为4根时，三维编织花式摩擦纳米发电纱线具有最优的电学性能。
41.电输出性能测试方法如下：
42.将特定材质的压板固定在dk-5617a型按键试验机的连杆上，随着连杆的上下往返运动，压板间歇性地按压三维编织花式摩擦纳米发电纱线，三维编织花式摩擦纳米发电纱线一端的镀银导电纱线连接keithley 6514型静电计，测量三维编织花式摩擦纳米发电纱线的电输出性能。由于压板与三维编织花式摩擦纳米发电纱线的得失电子能力存在差异，故当二者间歇性地接触按压时，产生电势差，即电压。
43.图4是本发明实施例1中三维编织花式摩擦纳米发电纱线的开路电压-时间/自动张力控制送纱器张力的曲线图；如图4所示，当自动张力送纱器张力为0n时，三维编织花式摩擦纳米发电纱线具有最优的电学性能。
44.图5是本发明实施例1中三维编织花式摩擦纳米发电纱线的开路电压-时间/摩擦频率的曲线图，这里的摩擦频率是指压板对三维编织花式摩擦纳米发电纱线的按压频率，表明摩擦频率越快，摩擦电信号强度越高。
45.图6是本发明实施例1中三维编织花式摩擦纳米发电纱线的开路电压-时间/万次循环的曲线图，万次循环是指保持所有测试条件不变情况下，进行10000次的按压循环测试；从图6可以看出，该三维编织花式摩擦纳米发电纱线的电输出性能具有良好的稳定性。
46.图7是本发明实施例1中三维编织花式摩擦纳米发电纱线在不同电容容量下充电的曲线图，表明该三维编织花式摩擦纳米发电纱线具有良好的发电和储能能力，充电率随电容增大而减小。
47.以上未涉及之处，适用于现有技术。
48.虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线，其特征在于：三维编织花式摩擦纳米发电纱线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。2.如权利要求1所述的一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线，其特征在于：所述镀银导电纱线为镀银尼龙缝纫线或镀银涤纶缝纫线。3.如权利要求1所述的一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线，其特征在于：所述镀银导电纱线根数范围为4～32根。4.如权利要求3所述的一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线，其特征在于：所述镀银导电纱线根数为偶数。5.如权利要求1所述的一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线，其特征在于：所述阻燃防火纱线为聚酰亚胺纱线或芳纶纱线。6.如权利要求1所述的一种三维编织花式摩擦纳米发电纱线，其特征在于：所述阻燃防火纱线的根数范围为1～10根。7.一种如权利要求1-6任一项所述的三维编织花式摩擦纳米发电纱线的制备方法，其特征在于：将卷绕有镀银导电纱线的纱锭两两对立地装配在高速编织机的编织锭上，镀银导电纱线从纱锭上退绕，经独立导纱轮和张力轮后聚集于高速编织机的轴心部位；阻燃防火纱线从位于高速编织机轴心的自动张力控制送纱器导入，在自适应张力控制下搭靠在由纱锭输出的镀银导电纱线上方；高速编织机在编程轨迹指令下，编织锭分成两组轨迹做圆周运动，使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，制得三维编织花式摩擦纳米发电纱线。8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述高速编织机的编织速度为10～1000r/min，编织节距为1～10mm，编织角为0～90
°
。9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述自动张力控制送纱器的张力为0～10n。10.一种如权利要求1-6任一项所述的三维编织花式摩擦纳米发电纱线在消防制品上的应用。

技术总结
本发明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。三维编织花式摩擦纳米发电纱线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。本发明制备工艺简单，能用于大规模工业化生产，本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。异的柔软舒适性和阻燃防火性。异的柔软舒适性和阻燃防火性。


技术研发人员：刘可帅 彭智勇 李威 许多 陈泽 苏子毅 龚浩然 刘英存
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/10/8