一种织物基可穿戴复合式能量收集器件的制作方法及其应用技术

本发明专利技术属于柔性可穿戴电子设备技术领域，具体涉及一种织物基可穿戴复合式能量收集器件的制作方法及其应用，本发明专利技术提供的织物基可穿戴复合式能量收集器件包括织物基摩擦纳米发电机和纤维基乳酸酶生物燃料电池，所述织物基摩擦纳米发电机和纤维基乳酸酶生物燃料电池通过缝合组装在一起，所述织物基摩擦纳米发电机由发电纤维编织而成，所述发电纤维包括经向发电纤维和纬向发电纤维，所述经向发电纤维和纬向发电纤维垂直交叉排布。本发明专利技术的器件制作成本较低，制作方法简单；器件具有柔性，可弯曲性，可拉伸性，透气性好，佩戴舒适；能够在人体运动和出汗的情况下为可穿戴设备持续供电，可应用于制备可穿戴电子产品。可应用于制备可穿戴电子产品。可应用于制备可穿戴电子产品。

【技术实现步骤摘要】
一种织物基可穿戴复合式能量收集器件的制作方法及其应用


[0001]本专利技术属于柔性可穿戴电子设备
，具体涉及一种织物基可穿戴复合式能量收集器件的制作方法及其应用。

技术介绍

[0002]电子纺织是将多功能电子产品整合到时尚服装中，为可穿戴电子产品的进一步发展提供了新的思路。其中，电源是实现这类多功能电子纺织品的基础和核心。然而，为织物供电的传统笨重电池在灵活性、舒适性、轻量化和免维护等方面存在不足。针对这些不足，现有的解决方案一般是将纤维发电设备和储能设备集成到一块纺织品中，建立一个自我充电的电力系统，从而为这些电子产品提供可持续的动力。
[0003]目前，在众多的发电装置中，摩擦电纳米发电机(TENG)已被证明是获取低频人体运动能量的有效技术。因为TENG具有结构简单、材料选择广泛、成本低等优点，且易于设计成纺织布。
[0004]同时，值得注意的是，人体汗液也是一种能量来源，因为汗液里面含量较多的有机物乳酸，而乳酸可以作为生物燃料电池的原料来进行发电。当前，现有的生物燃料电池主要是采用蛇形结构来进行外部结构的设计，由于这种结构的弹性基底通常是防水的，因而可能会给人带来不舒服和不透气的佩戴体验。而纤维基生物燃料电池可以通过缝合或编织技术集成到多功能纺织品中，同时不影响设备的拉伸能力和透气性。基于此，有必要开发一种佩戴舒适，且可同时收集人体运动能和汗液生物能的织物基复合式能量收集器件。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提出了一种织物基可穿戴复合式能量收集器件，该织物基可穿戴复合式能量收集器件能够在人体运动和出汗的情况下为可穿戴设备持续供电，可应用于制备可穿戴电子产品。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]本专利技术提供了一种织物基可穿戴复合式能量收集器件，所述织物基可穿戴复合式能量收集器件包括织物基摩擦纳米发电机和纤维基乳酸酶生物燃料电池，所述织物基摩擦纳米发电机和纤维基乳酸酶生物燃料电池通过缝合组装在一起，所述织物基摩擦纳米发电机由发电纤维编织而成，所述发电纤维包括经向发电纤维和纬向发电纤维，所述经向发电纤维和纬向发电纤维垂直交叉排布。
[0008]优选地，所述发电纤维为导电纤维/织物/柔性聚合物的同心圆结构，且两端有导电纤维露出。即所述发电纤维为圆柱体结构，从内到外依次包括导电纤维、织物和柔性聚合物，
[0009]优选地，所述纤维基乳酸酶生物燃料电池包括乳酸酶/导电纤维基阳极和还原氧贵金属/导电纤维基阴极，所述乳酸酶/导电纤维基阳极和还原氧贵金属/导电纤维基阴极经向交叉缝合固定于所述织物基摩擦纳米发电机的表面，所述乳酸酶/导电纤维基阳极和
还原氧贵金属/导电纤维基阴极平行排列，且缝合走向一致。
[0010]优选地，针对所述发电纤维和乳酸酶/导电纤维基阳极以及还原氧贵金属/导电纤维基阴极，所述导电纤维包括碳纤维、石墨烯纤维，碳纳米管纤维。此外，所述导电纤维还可以替换为金、银、铜、镍、铂线等导电线材。
[0011]优选地，所述柔性聚合物包括Ecolfelx、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、SEBS(氢化苯乙烯
‑
丁二烯嵌段共聚物)。
[0012]本专利技术将纤维基生物燃料电池与织物基可穿戴摩擦纳米发电机融于一体，设计一种织物基复合式能量收集器件，可同时收集人体运动能和汗液生物能，可穿戴设备持续供电，可应用于制备可穿戴电子产品。
[0013]优选地，所述织物包括棉线、羊毛纱线、蚕丝、腈纶、涤纶、尼龙。
[0014]优选地，所述织物基摩擦纳米发电机的编织工艺包括梭织工艺、棒针编织工艺、钩针编织工艺。进一步地，所述织物基摩擦纳米发电机的编织工艺采用梭织工艺。
[0015]优选地，所述乳酸酶包括乳酸氧化酶、乳酸脱氢酶。
[0016]优选地，所述还原氧贵金属包括Pt、Pd、Ru或其氧化物。
[0017]优选地，在编织织物基摩擦纳米发电机的过程中，通过合理安排经纬线的密度，更换不同的纬线线材，可以得到不同模式的摩擦纳米发电机，即该摩擦纳米发电机不限于单电极模式，也可制造双电极模式和自由运动模式。
[0018]本专利技术还提供了上述的织物基可穿戴复合式能量收集器件的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0019]S1、用织物沿导电纤维环向紧密缠绕包裹导电纤维，且在两端有部分导电纤维露出，得到织物包裹的导电纤维；
[0020]S2、配置柔性聚合物溶液；
[0021]S3、将步骤S1的织物包裹导电纤维浸泡于步骤S2的柔性聚合物溶液中，取出除去多余柔性聚合物溶液后置于70
‑
90℃下烘干1
‑
3小时，即得发电纤维；
[0022]S4、采用编织工艺先将步骤S3的发电纤维沿经线方向排列，再将剩余长度发电纤维沿纬线方向排列，编织得到经向纬向垂直交叉排布的织物基摩擦纳米发电机；
[0023]S5、依次用萘醌溶液、乳酸氧化酶和壳聚糖/戊二醛混合溶液浸渍导电纤维，晾干后得到乳酸酶/导电纤维基阳极；
[0024]S6、用还原氧贵金属和导电纤维的混合溶液浸渍导电纤维，晾干后得到还原氧贵金属/导电纤维基阴极；
[0025]S7、将步骤S5的乳酸酶/导电纤维基阳极和步骤S6的还原氧贵金属/导电纤维基阴极分别缝合于所述织物基摩擦纳米发电机的表面，制备得到织物基可穿戴复合式能量收集器件。
[0026]优选地，所述萘醌(NQ)溶液的配置方法为：0.065g萘醌溶于2mL无水乙醇中，搅拌2h后静置，取上清液即得。
[0027]优选地，所述乳酸氧化酶(LOx)溶液的配置方法为：取25mg LOx酶溶于417μL浓度为0.01M的PBS溶液中，加入6.25mg BSA(牛血清白蛋白)，保证酶的活性。
[0028]优选地，所述壳聚糖/戊二醛混合溶液的配置方法为：取1％壳聚糖溶液和1％戊二醛溶液混合即可。
[0029]优选地，所述还原氧贵金属和导电纤维的混合溶液的配置方法：称取40mg还原氧贵金属氧化物粉末和20mg导电纤维粉末，溶于2mL浓度为1％的Nafion溶液中即可。
[0030]本专利技术还提供了上述的织物基可穿戴复合式能量收集器件在制备可穿戴电子产品中的应用。
[0031]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0032]本专利技术提供的织物基可穿戴复合式能量收集器件包括织物基摩擦纳米发电机和纤维基乳酸酶生物燃料电池，所述织物基摩擦纳米发电机和纤维基乳酸酶生物燃料电池通过缝合组装在一起，所述织物基摩擦纳米发电机由发电纤维编织而成，所述发电纤维包括经向发电纤维和纬向发电纤维，所述经向发电纤维和纬向发电纤维垂直交叉排布。本专利技术具有以下优点：(1)器件制作成本较低，制作方法简单；(2)器件具有柔性，可弯曲性，可拉伸性，透气性好，佩戴舒适；(3)器件与纺织品进行编织，可以实时为可穿戴电子设备供电；(4)器件在人体出汗的情况下仍然能保持高输出。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种织物基可穿戴复合式能量收集器件，其特征在于，所述织物基可穿戴复合式能量收集器件包括织物基摩擦纳米发电机和纤维基乳酸酶生物燃料电池，所述织物基摩擦纳米发电机和纤维基乳酸酶生物燃料电池通过缝合组装在一起，所述织物基摩擦纳米发电机由发电纤维编织而成，所述发电纤维包括经向发电纤维和纬向发电纤维，所述经向发电纤维和纬向发电纤维垂直交叉排布。2.根据权利要求1所述的一种织物基可穿戴复合式能量收集器件，其特征在于，所述发电纤维为导电纤维/织物/柔性聚合物的同心圆结构，且两端有导电纤维露出。3.根据权利要求1所述的一种织物基可穿戴复合式能量收集器件，其特征在于，所述纤维基乳酸酶生物燃料电池包括乳酸酶/导电纤维基阳极和还原氧贵金属/导电纤维基阴极，所述乳酸酶/导电纤维基阳极和还原氧贵金属/导电纤维基阴极经向交叉缝合固定于所述织物基摩擦纳米发电机的表面，所述乳酸酶/导电纤维基阳极和还原氧贵金属/导电纤维基阴极平行排列，且缝合走向一致。4.根据权利要求2或3所述的一种织物基可穿戴复合式能量收集器件，其特征在于，所述导电纤维包括碳纤维、石墨烯纤维，碳纳米管纤维。5.根据权利要求2所述的一种织物基可穿戴复合式能量收集器件，其特征在于，所述柔性聚合物包括Ecolfelx、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、SEBS。6.根据权利要求2所述的一种织物基可穿戴复合式能量收集器件，其特征在于，所述织物包括棉线、羊毛纱线、蚕丝、腈纶、涤纶、尼龙。7.根据权利要求3所述的一种织物基可穿戴复合式...

【专利技术属性】
技术研发人员：衣芳，卓静婷，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：