一种全柔性磁电式自供能器件及其制备方法与相关制品与流程

1.本发明属于智能穿戴材料领域，具体涉及一种全柔性磁电式自供能器件及其制备方法与制品。


背景技术：

2.市面上的纤维织物多为通过化学合成的人造纤维，随着社会进步，除了在品种上推陈出新外，人们越来越注重人造纤维的新功能开发，如远红外纤维、磁性纤维，对人体有刺激、按摩等作用，促进血液循环，具有很好的保健功效。将磁性材料应用于可穿戴传感设备可以随时随地的监测人体的生理信号，为我们提供实时的身体状况反馈。因此，如果能够以柔性纤维作为传感器的基本单元，通过编织集成的方式，可以将成千上万的纤维传感器集成到织物上，实现多种传感功能集于一体的目的。
3.但是现有技术中，附加保健功能的织物往往洗涤困难，舒适度较差，大大降低了纤维的柔软、可编织等特性。在智能化的应用中，目前市场上磁性智能化设备主要依靠从外部供电或者与储能装置(如电池)等配套工作才能正常使用，而这也限制了它的使用范围、使用寿命以及轻量化智能化等发展方向。因此，将磁性材料很好应用在智能穿戴等智能化领域，实现磁性材料的柔性化、轻量化及自供能化就显得尤为重要。


技术实现要素：

4.为了解决现有保健织物柔韧性差、较重、不能实现自供能的技术问题，本发明提供了一种全柔性磁电式自供能器件及其制备方法与相关制品。
5.本发明第一方面提供一种全柔性磁电式自供能器件，该全柔性磁电式自供能器件包括柔性纤维和柔性导电金属线，上述柔性纤维具有磁性，上述柔性导电金属线缠绕在上述柔性纤维外壁形成柔性导电金属线圈闭合回路。
6.在一些实施方式中，上述柔性纤维包括磁性粒子和液态成型剂，上述磁性粒子的质量百分含量为30％-90％，上述液态成型剂的质量百分含量为10％-70％。
7.在一些实施方式中，上述全柔性磁电式自供能器件的拉伸形变量为80％-330％；
8.和/或，上述全柔性磁电式自供能器件在10％-50％的单位拉伸形变量范围内，能够产生4-10微伏的感应电动势。
9.本发明第二方面提供一种全柔性磁电式自供能器件的制备方法，包括如下步骤：
10.将液态金属灌注于线性柔性壳体中，并将上述线性柔性壳体两端封装，得到柔性导电金属线；
11.将磁性粒子与液态成型剂混合搅拌至粘稠，倒入模具中；
12.静置、固化，经后处理后得到具有磁性的柔性纤维；
13.将上述柔性导电金属线缠绕于上述柔性纤维外壁，得到上述全柔性磁电式自供能器件。
14.在一些实施方式中，上述线性柔性壳体的制备方法包括：通过3d打印制备线性实
心柱体，在上述柱体外壁浇筑液态成型剂，静置，待上述液态成型剂固化成型，脱模，得到线性柔性壳体。
15.在一些实施方式中，上述模具为空心柱体；优选的，上述模具分为上下两部分；更优选的，上述模具内壁有螺旋状凸起；特别优选的，上述模具通过3d打印制备得到。
16.在一些实施方式中，上述后处理包括：将含有磁性粒子与液态成型剂混合物的模具在60-90℃的条件下进行干燥，干燥时间为6-12小时。
17.在一些实施方式中，上述液态金属选自镓、铷、铯、镓铟合金、镓铟锡合金中的一种或多种；
18.和/或，上述磁性粒子选自钕铁硼磁性粒子、钕镍钴磁性粒子、氧化铁磁性粒子、二氧化铬磁性粒子、钴-氧化铁磁性粒子中的一种或多种；
19.和/或，上述液态成型剂凝固成型后是具有弹性的；优选的，上述液态成型剂选自苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、己二酸丁二醇酯/对苯二甲酸丁二醇酯共聚物中的一种或多种。
20.本发明第三方面提供一种传感器，包括上述全柔性磁电式自供能器件。
21.本发明第四方面提供一种可穿戴器件，包括上述全柔性磁电式自供能器件。
22.相比现有技术，本发明达到的技术效果如下：
23.(1)本发明将含有磁性物质的柔性纤维和电学部分(即柔性导电金属线圈组成的闭合回路)两大部分共同构成的一个有机整体，制备得到全柔性磁电式自供能磁电纤维，以电磁感应理论为基本原理，当磁电纤维本身发生拉伸等形变时，缠绕在纤维表面的柔性导电金属线内便会产生感应电流，由机械能转换为电能，无需借助外部供电或者储能装置，在轻量化、智能化领域具有无限潜力。
24.(2)本发明采用通过将磁性粒子与成型剂混合，所选用成型剂质轻、柔软，具有良好的弹性，可任意拉伸和弯折，使得发明的磁电纤维具有传统纺织纤维产品柔软、可拉伸、可弯曲等特性，进一步提升了磁电纤维在轻量化、穿戴等领域的应用空间，且本发明所选用的材料及产品无毒害，无特殊气味，有利于人类健康和环境保护。
25.(3)本发明公开的磁电纤维的制备方法，其基本原理是利用液态纺丝技术，将成型剂与磁性粒子的混合物经挤出后，再倒入相应的模具内，经静置固化而成，且在纤维制备过程中无需进行热处理步骤，方法简单，成本低。
26.(4)为了增加柔性导电金属线缠绕在柔性纤维的易操作性和牢固性，本发明的柔性纤维上设置螺旋形凹槽，柔性导电金属线能够均匀稳定的缠绕在柔性纤维的外壁，且螺旋形凹槽设计不仅增加操作的简便性，还增强了产品的美观性。
27.(5)本发明公开的自供能纤维的组成材料均为具有柔性、可拉伸、可弯折等性质，真正实现功能性纤维柔软、舒适、可灵活编织的特性。
附图说明
28.图1为本发明实施例1中自供能纤维的制备方法流程示意图；
29.图2为本发明实施例1中的制备柔性纤维的模具的示意图(未用胶带合并时的状态)；
30.图3为本发明实施例1中的全柔性磁电式自供能器件的结构示意图；
31.图4为本发明实施例1中的全柔性磁电式自供能器件的ct照片。
32.图中：
33.1柔性纤维；2柔性导电金属线；3-1第一模具体；3-2第二模具体；4螺旋形凸起；5螺旋形凹槽。
具体实施方式
34.以下通过附图和具体实施例说明本发明的技术方案。应该理解，本发明提到的一个或者多个步骤不排斥在组合步骤前后还存在其他方法和步骤，或者这些明确提及的步骤间还可以插入其他方法和步骤。还应理解，这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的目的，而非限制每个方法的排列次序或限定本发明的实施范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容变更的条件下，亦可视为本发明可实施的范畴。
35.实施例中所采用的原料和仪器，对其来源没有特定限制，在市场购买或者按照本领域内技术人员熟知的常规方法制备即可。
36.本发明的发明构思在于，利用电磁感应原理，将机械运动(如人体活动、手臂的摆动、膝盖的运动等)中产生的机械动能收集起来，并通过磁体和闭合线圈转化为电能，从而实现自发电的目的。
37.实施例1
38.本实施方式提供一种全柔性磁电式自供能器件的制备方法，其流程示意图如图1所示。
39.(1)制备柔性导电金属线，其步骤如下：
40.s101：利用光敏树脂3d打印机打印出直径为1mm，长度为100mm的实心圆柱体，并将其直立悬挂起来。
41.s102：在烧杯中加入20g液态硅胶ecoflex a组分和20g ecoflex b组分，形成均一的液态聚合物，随后将盛有该混合物的容器放置在50℃电热板上，并用磁力搅拌1小时，得到均一的ecoflex液态硅胶混合液；
42.将上述步骤获得的ecoflex液态硅胶不断浇淋在实心圆柱体的外表面，直到其圆柱体表面被ecoflex液态硅胶混合物均匀地覆盖住，且液态硅胶不再向下滴落。
43.s103：保持圆柱体直立悬挂状态并静置固化12小时；固化完成后，将实心圆柱体表面已完全固化的液态硅胶轻轻地从圆柱体上取出，得到柔性壳体。
44.s104：将一定量的液态镓铟合金倒入注射器中，并从针头出缓慢挤出到柔性壳体内，直到灌满整个柔性壳体的内腔，并将ecoflex液态硅胶混合物倒入柔性壳体的两端，随后静置12小时直到液态硅胶将柔性壳体的两端端头完全封装，即可得到柔性导电金属线2。
45.(2)制备柔性纤维，其步骤如下：
46.s201：利用3d打印技术打印用于浇灌ecoflex液态硅胶的模具(如图2所示)；模具整体为一个高度为10cm的长方体，其中长方体的上下底面均为5
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5cm2的正方形；长方体内部为一个空心结构的圆柱体，圆柱直径为2mm，高度与长方体保持一致；空心结构的圆柱中心线与长方体上下底面的中心线相同；圆柱内表面为完整的螺旋形凸起4，形成螺旋形凹槽5，螺旋线的直径为1mm，螺旋匝数为10圈；线圈在打印过程中，长方体以上下底面的中心线
为界，分为左右两部分分别打印，得到第一模具体3-1和第二模具体3-2，打印完成后再用胶带将两部分固定在一起。
47.制备柔性纤维模具的内径优选2mm-4mm，柔性金属导线的直径优选0.1mm-0.2mm。
48.s202：在烧杯中加入5g液态硅胶ecoflex a组分和5g ecoflex b组分，形成均一的液态聚合物；然后将23克钕铁硼磁粉加入上述得到的液态聚合物中，50℃条件下磁力搅拌1小时后，得到均一的混合液，然后迅速倒入上述步骤得到的模具中，静置约1小时，直至模具内的混合物完全固化。
49.s203：将模具连同内容物放置在60℃的烘箱内干燥12小时，干燥完成后取下胶带并将磁线从模具内取出，得到具有磁性的柔性纤维1。
50.(3)全柔性磁电式自供能器件的制备过程，其步骤如下：
51.s301：将柔性导电金属线2均匀缠绕在具有磁性的柔性纤维1外壁，为了使柔性导电金属线2更好的固定在柔性纤维1上，缠绕完成后在柔性导电金属线2外表面以及柔性导电金属线2与柔性纤维1接触处浇灌一层ecoflex液态硅胶，然后静置12小时，待液态硅胶固化后即可得到一体化的全柔性磁电式自供能器件(如图3所示)。
52.得到全柔性磁电式自供能器件的进行ct扫描，结果如图4所示，可以清楚地看到分布均匀的液态金属均匀的沿着螺旋形凹槽缠绕柔性纤维的表面。
53.将得到的全柔性磁电式自供能器件截取5cm，并放入拉伸试验仪上，在10mm/s的速率下做匀速形变拉伸，柔性磁电式自供能纤维的最大拉伸形变量为330％。
54.将的全柔性磁电式自供能器件截取5cm，并放入拉伸试验仪上，在10mm/s的速率下做50％形变拉伸，可得到约4微伏的感应电动势。
55.实施例2
56.本实施方式提供一种全柔性磁电式自供能器件的制备方法，步骤包括：
57.(1)制备柔性纤维，其步骤如下：
58.模具整体为一个高度为20cm的圆柱体，圆柱体的直径为8cm；长方体内部为一个空心结构的圆柱体，圆柱直径为4mm，高度与长方体保持一致；空心结构的圆柱中心线与长方体上下底面的中心线相同；圆柱表面为完整的螺旋形结构，螺旋线的直径为2mm，螺旋匝数为50圈。
59.在烧杯中加入3g苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物和27克氧化铁磁性粒子，50℃磁力搅拌1小时左右，直到混合物从胶状恰好开始变粘稠为止，得到均一的混合液，然后迅速倒入模具中。
60.将模具连同内容物直立放置在桌面上，然后静置约2小时，待模具混合物完全固化后将模具放置在40℃的烘箱内干燥6小时，干燥完成后取下胶带并将内容物从模具内取出，得到具有磁性的柔性纤维。
61.(2)全柔性磁电式自供能器件的制备过程，其步骤如下：
62.将实施例1所得柔性导电金属线线均匀缠绕在步骤(1)所得的柔性纤维的螺旋凹槽内，并在外表面浇灌一层苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物，然后静置12小时，待液态硅胶固化后即可得到全柔性磁电式自供能器件。
63.将全柔性磁全柔性磁电式自供能器件截取5cm，并放入拉伸试验仪上，在50mm/s的速率下做匀速形变拉伸，柔性磁电式自供能纤维的最大拉伸形变量为260％。
64.将全柔性磁全柔性磁电式自供能器件截取5cm，并放入拉伸试验仪上，在50mm/s的速率下做10％形变拉伸，可得到约5微伏的感应电动势。
65.实施例3
66.本实施方式提供一种全柔性磁电式自供能器件的制备方法，步骤包括：
67.(1)制备柔性纤维，其步骤如下：
68.利用光敏树脂3d打印技术打印用于制备磁性纤维的模具；模具整体为一个高度为10cm的长方体，其中长方体的上下底面均为5
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5cm2的正方形；长方体内部为一个空心结构的圆柱体，圆柱直径为3mm，高度与长方体保持一致；空心结构的圆柱中心线与长方体上下底面的中心线相同；圆柱表面为完整的螺旋形结构，螺旋线的直径为1mm，螺旋匝数为20圈；线圈在打印过程中，长方体以上下底面的中心线为界，分为左右两部分分别打印，打印完成后再用胶带将两部分固定在一起。
69.在烧杯中加入21g聚二甲基硅氧烷和9克钕镍钴磁性粒子，90℃磁力搅拌1小时左右，搅拌速度为200转/分钟，直到混合物从胶状恰好开始变粘稠为止，得到均一的混合液，然后迅速倒入模具中。
70.将模具连同内容物直立放置在桌面上，然后静置，待模具内混合物完全固化后将模具放置在50℃的烘箱内干燥9小时，干燥完成后取下胶带并磁线从模具内取出，得到具有磁性的柔性纤维。
71.(2)全柔性磁电式自供能器件的制备过程，其步骤如下：
72.将实施例1制得的直径为0.1mm的柔性导电金属线均匀缠绕在步骤(1)所得的柔性纤维的螺旋凹槽内，并在外表面浇灌一层苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物，然后静置，待液态硅胶固化后即可得到一体化的全柔性磁电式自供能器件。
73.将全柔性磁全柔性磁电式自供能器件截取5cm，并放入拉伸试验仪上，在30mm/s的速率下做匀速形变拉伸，柔性磁电式自供能纤维的最大拉伸形变量为160％。
74.将得到的全柔性磁电式自供能磁电纤维截取5cm，并放入拉伸试验仪上，在30mm/s的速率下做50％形变拉伸，可得到约9微伏的感应电动势。
75.实施例4
76.本实施提供一种传感器，使用了实施例1制得的全柔性磁电式自供能器件，利用其具有传统纺织纤维产品柔软、可拉伸可弯曲等特性，将其编织到织物上，并且在进行往复拉伸时，能够将不同种类、不同幅度的机械形变运动转化为强弱不一的电信号，并将信号传送至终端。
77.实施例5
78.本实施例提供一种自供能穿戴器件，采用实施例1制得的全柔性磁电式自供能器件编织在可穿戴的衣物中，并通过无线的方式连接检测器，利用人体进行手臂、膝盖等肢体运动时产生的生物机械能转化为电能，产生的电能信号变化作为检测的依据。
79.一般情况下，磁性粒子与液态成型剂混合搅拌温度为30-90℃，搅拌速度为50-200转/分钟，搅拌时间为1-2小时。
80.模具的形状、磁性纤维形状、螺旋匝数，不仅仅局限于上述所提到内容，还包括其他任何可实现的形状及数量。
81.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述
并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。