基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法及应用

本申请涉及纺织，特别涉及一种基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法及应用。

背景技术：

1、随着第四次工业革命和5g信息时代的到来，涌现出众多以个人为导向的功能可穿戴电子产品。大量低功耗的可穿戴电子产品理论上需要取之不竭、易于获取和生态可持续的电力供应系统。然而，传统的锂电池和超级电容器充放电频繁，寿命有限，污染环境，严重制约了可穿戴电子设备的可持续应用。此外，一些新的能量收集技术，包括生物燃料电池、热电发电机、太阳能电池，虽然可以从周围的环境中获得绿色能源，但对外部环境的极端依赖，也限制了它们的广泛应用。

2、摩擦电纳米发电机(tengs)，起源于麦克斯韦位移电流，通过摩擦起电和静电感应的耦合效应，可将周围环境中广泛分布但一直被忽视的机械能转化为电能。由于具有环保、低成本、结构简单、易于携带、材料多样等优点，在可穿戴电源和多功能自供电传感方面都有广阔的应用前景。

3、人体不仅是可持续、分布式机械能的丰富来源，也是智能可穿戴电子产品的应用终端。通过tengs与人体运动的无缝结合，将可以通过人体动作方式实现所需能量的获取和利用。将纺织品与tengs结合构建的基于纺织品的摩擦电纳米发电机(t-teng)是将人体运动产生的机械能转化为电能为便携式设备供电的最经济有效的方法。同时，它作为一种可穿戴传感器，能够将各种形式的机械运动，包括拉伸、弯曲、按压、摩擦，以及巨大的跑步运动或微小的脉搏跳动，转换为电信号，已被广泛用于人体生物力学能量收集、健康监测和医疗诊断、娱乐等方面。

4、毛绒织物由于其优异的纳米/微纤维结构，具有更高的比表面积，从而可提高摩擦电输出性能，越来越受到研究者的关注。然而，基于毛绒织物的摩擦纳米发电机仍面临诸多挑战。关于毛绒织物基摩擦纳米发电机的大规模生产、绒毛结构参数对摩擦电性能的影响以及传感能力等方面的研究还很少，且大多应用在智能农业和海浪能收集领域，缺乏对柔性可穿戴纺织品领域的研究。

5、因此，高功率高输出的毛绒织物摩擦纳米发电机的制备方式还比较欠缺，尤其是大规模产业化的制备方式还需要发展，同时还能高效地收集生物力学能量，以满足为电子设备供电的应用需求。

技术实现思路

1、本申请的目的是利用低成本的材料和成熟的纬编技术提供一种基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法及应用，以解决上述现有技术存在的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的大规模生产、绒毛结构参数对摩擦电性能的影响以及传感能力等方面的研究还比较缺乏的问题。

2、为实现上述目的，本申请采用的技术方案为：

3、第一方面，本申请提供了一种基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法，所述方法用于制备基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机，所述基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机包括绒毛层和电极层，所述绒毛层为纬编针织结构，所述绒毛层由化纤长丝或天然纤维制备而成，所述电极层由导电材料制备而成；

4、所述方法包括：

5、s1、面纱和地纱同时经过积极式给纱装置后，由卷绕储纱轮的上端卷绕，自卷绕储纱轮的下端退绕后输出纱线，得到退绕后的面纱和地纱；

6、s2、所述退绕后的面纱和地纱由带有两个导纱孔的导纱器喂到织针上，织针和沉降片在针筒槽内做往复运动，织针沿着三角座中的跑道做成圈或集圈运动，垫入的面纱和地纱分别在沉降片的片颚和片鼻上弯纱，得到编织后针织物；

7、s3、所述编织后针织物由牵拉卷取机构从编织区域牵引出来，并且卷绕在卷布辊上，得到毛圈织物；

8、s4、对所述毛圈织物进行后整理，得到高密的绒毛织物；

9、s5、将导电材料贴在所述绒毛织物的背面，得到基于绒毛织物的摩擦纳米发电机。

10、在一种可能的实现方式中，所述步骤s2中：

11、在所述片颚上弯纱的地纱形成纬平针线圈，在所述片鼻上弯纱的面纱的沉降弧被拉长形成毛圈，所述片鼻的长短用于控制毛圈的长短。

12、在一种可能的实现方式中，所述步骤s4中，所述对所述毛圈织物进行后整理包括：

13、对所述毛圈织物进行起毛以及热定型。

14、在一种可能的实现方式中，所述步骤s1中：

15、所述积极式给纱装置在纱线退绕区呈圆锥形。

16、在一种可能的实现方式中，所述化纤长丝包括人造纤维和合成纤维；

17、所述人造纤维至少包括粘胶纤维、硝酸酯纤维、醋酯纤维、铜氨纤维，以及人造蛋白纤维；

18、所述合成纤维至少包括聚酰胺6纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维，以及特种纤维。

19、在一种可能的实现方式中，所述天然纤维至少包括羊毛、棉纤维、麻纤维、毛纤维，以及蚕丝。

20、在一种可能的实现方式中，所述导电材料至少包括石墨烯、碳纳米管、氧化锌纳米线、镀银导电纱线、金属薄膜，以及导电聚合物。

21、在一种可能的实现方式中，所述导电聚合物至少包括聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯，以及聚双炔；

22、所述金属薄膜至少包括铝箔、铜箔、金箔，以及钨箔。

23、在一种可能的实现方式中，所述绒毛层中选取的纱线规格直径为50d或100d或300d或600d或1000d，股数为48f或72f或96f或144f或288f。

24、第二方面，本申请提供了一种根据如上所述的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法制备得到的基于绒毛织物的摩擦纳米发电机在微能量收集领域、纳能量收集领域、医疗检测领域、娱乐领域、智能居家领域中的应用。

25、本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

26、1、本申请基于成熟的纬编技术和低成本的材料选择，在单面毛圈圆纬机上生产了一种多模式能量采集和多功能传感的工业针织绒毛结构织物，使用本申请提供的绒毛织物能够具有高密度的绒毛结构和固有的针织线圈基底，因此本申请制备得到的基于绒毛织物的摩擦纳米发电机展现出多种工作模式、高输出性能、出色的舒适性、良好的透气性、独特的保暖性、优越的耐用性和工业化制造的特性；

27、2、由于绒毛织物具有高密度的微/纳米级结构，其表面积是平面结构的几十倍，从而进一步增强了基于绒毛织物的摩擦纳米发电机的电输出特性；

28、3、本申请制备得到的基于绒毛织物的摩擦纳米发电机可以作为一种控制各种开关的智能键盘和地毯，并作为人机交互进行了演示，以证明其在触摸和滑动下的优越传感能力；另外，本申请提供的制备方法，方法简单高效，节约成本，开辟了基于绒毛织物的摩擦纳米发电机生产加工的新思路。

技术特征：

1.一种基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法，所述方法用于制备基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机包括绒毛层和电极层，所述绒毛层为纬编针织结构，所述绒毛层由化纤长丝或天然纤维制备而成，所述电极层由导电材料制备而成；

2.根据权利要求1所述的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中：

3.根据权利要求1所述的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述对所述毛圈织物进行后整理包括：

4.根据权利要求1所述的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中：

5.根据权利要求1所述的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：

10.一种根据权利要求1所述的基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法制备得到的基于绒毛织物的摩擦纳米发电机在微能量收集领域、纳能量收集领域、医疗检测领域、娱乐领域、智能居家领域中的应用。

技术总结
本申请关于一种基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的制备方法及应用，涉及纺织领域。该方法包括：面纱和地纱同时经过积极式给纱装置后，由卷绕储纱轮的上端卷绕，自卷绕储纱轮的下端退绕后输出纱线，得到退绕后的面纱和地纱；退绕后的面纱和地纱由导纱器喂到织针上，完成成圈或集圈运动，得到编织后针织物；编织后针织物由牵拉卷取机构从编织区域牵引出来，并且卷绕在卷布辊上，得到毛圈织物；对毛圈织物进行后整理，得到高密的绒毛织物；将导电材料贴在绒毛织物的背面，得到基于绒毛织物的摩擦纳米发电机。解决了基于绒毛织物的摩擦电纳米发电机的大规模生产、绒毛结构参数对摩擦电性能的影响以及传感能力等方面的研究还比较缺乏的问题。

技术研发人员：陈超余,沈运初,张爱军,马丕波,蒋高明,丛洪莲,商林婧
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16