一种三维角联锁发电织物及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种三维角联锁发电织物及其制备方法，为由两个纱线系统组成的三维角联锁织物，两个纱线系统分别为经纱系统和纬纱系统，经纱系统和纬纱系统的组成纱线不同，组成纱线为机械能采集纱线或柔性导电纱线；三维角联锁发电织物的功率密度最高值为48.45mW/m

A three-dimensional angle interlocking power generation fabric and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种三维角联锁发电织物及其制备方法
本专利技术属于智能纺织材料和柔性摩擦纳米发电
，具体涉及一种三维角联锁发电织物及其制备方法。
技术介绍
基于轻薄化、可弯曲以及便携带的优点，目前柔性可穿戴电子器件被广泛关注和研究，而柔性可穿戴电子器件但电能供应是影响当今柔性可穿戴电子器件发展和应用的重要因素。摩擦纳米发电机将摩擦起电和静电感应相结合,能够有效地将周围环境中的各种机械能，例如人体在运动时产生的动能转换为电能，其结构简单，材料广泛，是目前比较清洁的能源转换器件，有望成为可穿戴电子器件较为理想的供能设备。但是，传统的摩擦纳米发电机常采用的多层结构,如块状或膜状结构，其存在不易于被拉伸、扭转以及可穿戴性和柔软性能差的缺陷，很难直接与可穿戴电子器件相匹配，不适合大面积推广应用。相较于传统的摩擦纳米发电机，构建纺织结构的摩擦纳米发电机能够满足当今可穿戴设备供能器件被期望具备的柔软性好、可弯曲、能适应人体的运动状况以及性能稳定等优点，构建纺织结构的摩擦纳米发电机有利于可穿戴电子器件的发展和广泛应用。目前，虽然有不少研究者对二维织物基摩擦纳米发电机进行研究，如平纹结构发电织物，但由于织物结构限制，如层数较少或经纬纱接触面积较小，使其电输出性能普遍较低，因此很难得到很好的应用和推广。三维角联锁织物是多重纬(多重经)角联锁机织物简称，它是由两个系统的纱线构成重叠联锁状的交织。当经纱在织物厚度方向(Z方向)构成重叠，则纬纱以一定的倾斜角在X方向与多重经进行角连锁状交织；反之，当纬纱在织物厚度方向(Z方向)构成重叠，则经纱以一定的倾斜角在X方向与多重纬进行角联锁状交织。按照构成重叠的纱线系统，可以分为多重经角度联锁和多重纬角度联锁两种。三维角联锁织物相对于其他三维机织物，仅含有两个系统，变形能力较强，经纬纱接触面积较大；三维角联锁织物相对于二维机织物，层数更多，经纬纱接触面积较大。如将三维角联锁织物制成摩擦纳米发电机将有望解决目前二维织物基摩擦纳米发电机经纬纱接触面积较小的问题，显著提高发电机的电输出性能。因此，研究一种电输出性能优良的三维角联锁发电织物及其制备方法具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的由于织物结构限制导致织物基摩擦纳米发电机的电输出性能较差进而难以得到很好的应用和推广的问题，提供一种三维角联锁发电织物及其制备方法。本专利技术采用三维角联锁机织物作为摩擦纳米发电机的基体，由于三维角联锁结构为多层结构，其在织物的厚度方向上明显优于传统二维织物，又由于三维角联锁结构只由两个纱线系统组成，相对于由三个纱线系统组成的三维机织物具有易于变形且能增加经纬纱间的接触面积的特点，因而本专利技术的三维角联锁发电织物能具有良好的电输出性能。为到达上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种三维角联锁发电织物，为由两个纱线系统组成的三维角联锁织物，两个纱线系统分别为经纱系统和纬纱系统，纬纱系统位于经纱系统的左或右侧，垂直引入经纱层，经纱系统和纬纱系统的组成纱线不同，组成纱线为机械能采集纱线或柔性导电纱线，既可以是经纱系统由机械能采集纱线组成，纬纱系统由柔性导电纱线组成，也可以是纬纱系统由机械能采集纱线组成，经纱系统由柔性导电纱线组成，两种方案都在本专利技术的保护范围内，经纱系统内所有的纱线都相同，纬纱系统内所有的纱线都相同，稍微不同也同样适用于本专利技术，设计纱线都相同的主要原因是为了保证电输出性能，机械能采集纱线的根数越多，电输出性能越好，因此当经纱系统或纬纱系统采用机械能采集纱线时，最好全部纱线都为机械能采集纱线；三维机织物根据经纱取向不同主要有正交和角联锁两种结构，正交结构中纱线呈直线状排列，角联锁结构中的纱线不仅沿织物经纬向配置，而且有一部分纱线沿织物厚度方向呈一定角度配置，由于纱线有屈曲，所以三维角联锁织物有较好的柔软性，变形能力较强，进而可以利用该三维角联锁织物从人体各种机械运动中收集机械能,包括跑步、走路等运动；在运动过程中经纬纱接触机率较高，接触面积较大，能够产生更多的电荷，因而三维角联锁发电织物具有更加优良的电输出性能；三维角联锁织物具有多层结构，而二维织物仅由单层结构，因而三维角联锁织物相对于二维织物具有更大的接触面积，电输出性能也更加优良；本专利技术提供的三维角联锁发电织物可以设置在服装如衣服、背包、鞋上，也可以设置在人体运动关节部位相应的位置，在人体运动时织物被挤压或者拉伸，作为发电机或者传感器，通过人体的轻微运动驱动织物发电，进而为一些小型电子设备供电，如点亮LED灯、电子表等；本专利技术提供的三维角联锁发电织物不仅可以用来收集机械能，还可以贴在人体不同位置的皮肤表面，作为传感器用于实时监测人体运动的信息，如颈部、肘部、膝部等部位；人体发生轻微运动时，织物与皮肤表面之间发生周期性的接触和分离，从而产生相应的电信号，通过分析电信号的大小、频率可以得到关于人体轻微运动的幅度和频率等信息，现以经纱为机械能采集纱线、纬纱为柔性导电纱线的三维角联锁发电织物为例阐述发电原理，具体如下：经向机械能采集纱线通过外部载荷与纬向柔性导电纱线相连接，在初始状态下，由于经向机械能采集纱线和纬向柔性导电纱线不存在电势差，所以没有电荷生成；当外部载荷作用时，织物纵向收缩，经向机械能采集纱线与纬向柔性导电纱线相互接触，由于摩擦起电效应，在经向机械能采集纱线与纬向柔性导电纱线产生电量相同但极性相反的正负电荷，根据摩擦起电序列，经向机械能采集纱线带有负电荷，而纬向柔性导电纱线带有正电荷，由于静电诱导效应，自由电子将由纬向柔性导电纱线流向经向机械能采集纱线来平衡静电状态，从而产生一个瞬时电流；当三维角联锁发电织物处于最大压缩状态时，电子全部流向经向机械能采集纱线，经向机械能采集纱线表面的负电荷完全被纬向柔性导电纱线的诱导电荷所平衡，由于此时没有电势差存在，所以没有电荷产生；当外部载荷卸除时，聚集起来的正电荷将从经向机械能采集纱线反向流向纬向柔性导电纱线来弥补电势差异；当整个系统恢复到初始状态时，经向机械能采集纱线表面的负电荷会被纬向柔性导电纱线表面的正电荷完全抵消，这样一次接触分离过程将会产生一个瞬时的交变电流和电势。作为优选的技术方案：如上所述的一种三维角联锁发电织物，三维角联锁发电织物的功率密度最高值为48.45mW/m2，是单层平纹结构发电织物的15倍左右，是双层平纹织物的8倍左右，具有良好的电输出性能，本专利技术的三维角联锁发电织物具体规格不限，经密、纬密、克重等都可以调节，因而电输出性能会在一定范围内变化，此处所指的功率密度最高值指的是本专利技术各种结构的三维角联锁发电织物的功率密度的最高值，而非特定结构的三维角联锁发电织物的功率密度的最高值。如上所述的一种三维角联锁发电织物，经纱系统和纬纱系统分别由机械能采集纱线和柔性导电纱线组成，三维角联锁织物为经向层层接结角联锁织物，层数为2～10层，经纱层数可以根据所要求的织物厚度设计；为了保障三维角联锁发电织物的电输出性能，机械能采集纱线的数量应尽可能地多，当经纱系统和纬纱系统分别由柔性导电纱线和机械能采集纱线组成时，织物为多重纬角度联锁结构，机械能采集纱线的数量较多；当经纱系统和纬纱系统分别由机械能采集纱线和柔性导电纱线组成时，织物为多重经角度联锁结构，机械能采集纱线的数量较本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维角联锁发电织物，为由两个纱线系统组成的三维角联锁织物，两个纱线系统分别为经纱系统和纬纱系统，其特征是：经纱系统和纬纱系统的组成纱线不同，组成纱线为机械能采集纱线或柔性导电纱线。

【技术特征摘要】
1.一种三维角联锁发电织物，为由两个纱线系统组成的三维角联锁织物，两个纱线系统分别为经纱系统和纬纱系统，其特征是：经纱系统和纬纱系统的组成纱线不同，组成纱线为机械能采集纱线或柔性导电纱线。2.根据权利要求1所述的一种三维角联锁发电织物，其特征在于，三维角联锁发电织物的功率密度最高值为48.45mW/m2。3.根据权利要求1所述的一种三维角联锁发电织物，其特征在于，经纱系统和纬纱系统分别由机械能采集纱线和柔性导电纱线组成，三维角联锁织物为经向层层接结角联锁织物，层数为2～10层。4.根据权利要求1所述的一种三维角联锁发电织物，其特征在于，三维角联锁发电织物的经密为14～18根/5cm，纬密为12～20根/5cm，克重为0.6～1g/cm2。5.根据权利要求1所述的一种三维角联锁发电织物，其特征在于，机械能采集纱线的直径为2～8mm，机械能采集纱线为表面涂覆柔性高分子材料涂层的导电纱线，其中，涂层的厚度为1.4～7.6mm，导电纱线是由商用纱线经导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宝忠，孙娅，董凯，彭晓，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31