CN112134481A - 摩擦纳米发电机制作方法、发电机、编织物及传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦纳米发电机制作方法、发电机、编织物及传感器。该纤维状摩擦纳米发电机制作方法包括：选取基底，以可拉伸纤维作为基底；沉积第一导电部，将可拉伸纤维放入含有第一导电部材料的纳米线的导电油墨中浸泡并干燥，使银纳米线附着在可拉伸纤维上；沉积第二导电部，将可拉伸纤维放入含有第二导电部材料的溶液中浸泡并干燥，循环多次，使第二导电部材料附着在可拉伸纤维上，第一导电部材料与第二导电部材料交织共同构成导电网络层；涂覆摩擦介质，将摩擦介质溶液涂覆在具有导电网络层的可拉伸纤维上并干燥以在可拉伸纤维上包覆摩擦介质层。制成的纤维状摩擦纳米发电机整体可拉伸，能够达到编织布料要求。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，尤其涉及一种摩擦纳米发电机制作方法、发电机、编织物及传感器。
背景技术
可穿戴传感器对于未来远程医疗、健康监测、机器人技术等领域具有重要的意义。然而现有的可穿戴传感器，如各类电子皮肤，往往是薄膜状，会堵塞皮肤毛孔，给人体带来不适感。所以电子皮肤的透气性是亟待解决的问题。近年来小尺寸，集成化的电子皮肤取得了一些进展，纤维状的摩擦纳米发电机就是其中一种小型化的方案。
然而，现有的纤维状摩擦纳米发电机，有的直径不够小，很难达到编织布料的要求，有的又不能够实现拉伸，很难适应绝大多数的场合。
发明内容
本发明实施例提供一种纤维状摩擦纳米发电机制作方法、纤维状摩擦纳米发电机、编织物及压力传感器，以解决纤维状摩擦纳米发电机不能够实现拉伸的问题。
一方面，本发明实施例提出了一种纤维状摩擦纳米发电机，包括：
选取基底，以可拉伸纤维作为基底；
沉积第一导电部，将所述可拉伸纤维放入含有第一导电部材料的纳米线的导电油墨中浸泡并干燥，使所述纳米线附着在所述可拉伸纤维上；
沉积第二导电部，将所述可拉伸纤维放入含有第二导电部材料的溶液中浸泡并干燥，循环多次，使第二导电部材料附着在所述可拉伸纤维上，第一导电部材料与第二导电部材料交织，第一导电部与第二导电部共同构成导电网络层；
涂覆摩擦介质，将摩擦介质溶液涂覆在具有所述导电网络层的所述可拉伸纤维上并干燥，以在所述可拉伸纤维上包覆摩擦介质层。
根据本发明实施例的一个方面，在所述沉积第一导电部步骤中，第一导电部材料为银纳米线；和/或，在所述沉积第二导电部步骤中，第二导电部材料为碳纳米管，溶液的浓度为0.5％-2％。
根据本发明实施例的一个方面，在所述涂覆摩擦介质步骤中，摩擦介质溶液采用聚二甲基硅氧烷溶液。
根据本发明实施例的一个方面，在所述涂覆摩擦介质步骤中，将具有所述导电网络层的所述可拉伸纤维沿竖直方向固定，由所述可拉伸纤维的顶部涂覆摩擦介质溶液，在重力作用下摩擦介质溶液向下流动以包覆所述可拉伸纤维。
另一方面，本发明实施例提出了一种纤维状摩擦纳米发电机，包括可拉伸的纤维基底，所述基底上包覆有可伸缩的导电网络层，所述导电网络层外包覆有可伸缩的摩擦介质层，其中，所述导电网络层包括交织设置的第一导电部和第二导电部。
根据本发明实施例的一个方面，所述基底为氨纶丝纤维或牛筋线。
根据本发明实施例的一个方面，所述第一导电部由银纳米线、铜纳米线或金纳米线沉积而成；和/或，所述第一导电部的材料的直径范围为300-500nm，长度范围为20-30μm。
根据本发明实施例的一个方面，所述第二导电部由碳纳米管、石墨烯或碳粉沉积而成；和/或，所述第二导电部的材料的直径范围为20-50nm，长度范围为5-10μm。
根据本发明实施例的一个方面，所述摩擦介质层的材料为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚四氟乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；和/或，所述摩擦介质层的厚度范围为0.15-2mm。
又一方面，本发明实施例提出了一种编织物，包括如前述的纤维状摩擦纳米发电机。
根据本发明实施例的一个方面，所述纤维状摩擦纳米发电机为多个，多个所述纤维状摩擦纳米发电机纵横交错排布以构成网状。
再一方面，本发明实施例提出了一种压力传感器，包括如前述的纤维状摩擦纳米发电机，或者，包括如前述的编织物。
本发明实施例提供的纤维状摩擦纳米发电机制作方法，以可拉伸纤维作为基底，先在基底上沉积第一导电部材料的纳米线，而后经过多次“浸泡-干燥”循环沉积第二导电部材料，使得第一导电部材料与第二导电部材料交织在一起，在纤维表面共同构成树状的导电网络层，再在导电网络层外涂覆形成摩擦介质层，制成纤维状摩擦纳米发电机，由于基底可拉伸，且第一导电部材料与第二导电部材料构成的导电网络层也具有可拉伸性，使得纤维状摩擦纳米发电机整体可拉伸，适应性强，能够满足多种使用需求，解决了纤维状摩擦纳米发电机不能够实现拉伸的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的纤维状摩擦纳米发电机制作方法的流程图；
图2为本发明实施例的纤维状摩擦纳米发电机的横截面结构示意图；
图3a和图3b分别为本发明实施例的纤维状摩擦纳米发电机的第一导电部和第二导电部的显微结构示意图；
图4a和图4b分别为本发明实施例的纤维状摩擦纳米发电机的导电网络层受力前后尺寸变化示意图；
图5为本发明实施例的纤维状摩擦纳米发电机的拉伸长度与发电性能关系示意图；
图6为本发明实施例的编织物的结构示意图；
图7a及图7b为本发明实施例的编织物的单点压力传感状况示意图；
图8a及图8b为本发明实施例的编织物的多点压力传感状况示意图。
附图中：
100-经纱，200-纬纱；
110-基底，120-导电网络层，130-摩擦介质层；
121-第一导电部，122-第二导电部。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明实施例的纤维状摩擦纳米发电机制作方法，包括以下步骤：
选取基底，以可拉伸纤维作为基底；
沉积第一导电部，将可拉伸纤维放入含有第一导电部材料，如含有银纳米线的导电油墨中浸泡并干燥，使银纳米线附着在可拉伸纤维上；
沉积第二导电部，将可拉伸纤维放入含有第二导电部材料，如含有碳纳米管的溶液中浸泡并干燥，循环多次，使碳纳米管附着在可拉伸纤维上，碳纳米管与银纳米线交织，第一导电部与第二导电部共同构成导电网络层；
涂覆摩擦介质，将摩擦介质溶液涂覆在具有导电网络层的可拉伸纤维上并干燥，以在可拉伸纤维上包覆摩擦介质层。
在本实施例中，以可拉伸纤维作为基底，首先在基底上沉积相对尺度较大的银纳米线，形成第一导电部，而后经过多次“浸泡-干燥”循环沉积碳纳米管，形成第二导电部，银纳米线与碳纳米管交织在一起，在可拉伸纤维表面共同构成树状的导电网络层，再在导电网络层外涂覆形成摩擦介质层，导电网络层与摩擦介质层逐层沉积，制成同轴结构的纤维状摩擦纳米发电机，由于基底为可拉伸纤维，且银纳米线与碳纳米管构成的导电网络层也具有可拉伸性，使得纤维状摩擦纳米发电机整体可拉伸，适应性强，能够满足多种使用需求。
本实施例的纤维状摩擦纳米发电机，可拉伸140％(如可由1cm拉伸至2.4cm)，其直径可仅为0.63mm，能够达到编织布料的要求，适用范围广。
其中，构成导电网络层的两种导电物质，银纳米线和碳纳米管，长短结合、粗细互补，构成杆枝交织的树状导电网络层，使得导电网络层具有较好的可拉伸性，从而能够提升纤维状摩擦纳米发电机整体的可拉伸性。
作为一个可选实施例，在沉积第二导电部步骤中，碳纳米管溶液的浓度可为0.5％-2％，优选为1.5％。
在本实施例中，将经过干燥的可拉伸纤维用该碳纳米管溶液多次“浸泡-干燥”循环操作，使得碳纳米管附着在可拉伸纤维表面，与已经附着的银纳米线共同构成树状的导电网络层，制成可拉伸的导电纤维。
作为一个可选实施例，在涂覆摩擦介质步骤中，摩擦介质溶液采用聚二甲基硅氧烷溶液。并且，将具有导电网络层的可拉伸纤维沿竖直方向固定，由可拉伸纤维的顶部涂覆摩擦介质溶液，在重力作用下摩擦介质溶液向下流动以包覆可拉伸纤维。
在本实施例中，以聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)溶液作为摩擦介质溶液，将PDMS的两种溶液按1:10的质量比配置(两种溶液均为PDMS溶液，使用之前分瓶放置，不会凝固，混合后经过一定时间凝固)。将制备好的导电纤维(具有导电网络层的可拉伸纤维)竖直固定在约60℃的环境中，使用刷具将PDMS溶液涂覆在导电纤维的顶部，在重力作用下PDMS溶液向下流动，均匀包覆在导电纤维的整个表面，待到PDMS溶液完全干燥后取出，至此制成纤维状摩擦纳米发电机。
请参阅图2，本发明实施例的纤维状摩擦纳米发电机，包括可拉伸的纤维基底110，基底110上包覆有可伸缩的导电网络层120，导电网络层120外包覆有可伸缩的摩擦介质层130，其中，导电网络层120包括交织设置的第一导电部121和第二导电部122。
其中，基底110为可拉伸的弹性纤维，例如氨纶丝纤维。第一导电部121为纤维状的导电材料，材料的长度相对较长，拉伸后材料之间仍有重叠的部分，彼此是导通的，有利于拉伸后的导电性。第二导电部122可以是纤维状或粉末状的导电材料，尺寸相对第一导电部121的材料较小，可以填充小的空隙与第一层导电部121的材料共同形成网状结构。
第一导电部121的导电材料的直径范围可以为300-500nm，长度范围可以为20-30μm。第二导电部122的导电材料的直径范围可以为20-50nm，长度范围可以为5-10μm。摩擦介质层130的厚度是影响纤维状摩擦纳米发电机径向尺寸的主要因素，因此可根据需要选择其厚度，厚度范围可选为0.15-2mm。
本发明实施例采用沉积方法制备的导电网络层中的导电材料彼此之间有一定的空隙，为纤维状摩擦纳米发电机提供拉伸或压缩条件。其中，第一导电部121可由银纳米线沉积而成，第二导电部122可由碳纳米管沉积而成。
结合图3a及图3b，相对而言，银纳米线较长、较粗，碳纳米管较短、较细，二者交织，共同构成树状结构的导电网络层120，银纳米线作为树状结构的树干，碳纳米管作为树状结构的树枝，导电网络层120整体在长度方向上和径向方向上均具有较好的延展性，能够随基底110伸缩。
并且，导电网络层120，是树状的导电结构，或者可称为是层状的导电结构，受到的外界压力越大则变得越致密，电阻变得越小，这与摩擦纳米发电机受到的压力越大输出的电信号越大的特性相吻合，因此可以有效提升本实施例的纤维状摩擦纳米发电机的灵敏度，使其能够作为感应元件使用。结合图4a及图4b，图4a为没有受到外力的情况，此时导电网络层120较疏松，图4b为受到外力的情况，此时导电网络层120变致密，其电阻变小。结合图5，本实施例的纤维状摩擦纳米发电机，拉伸变长时，其发电电压仅发生较小程度的降低，不影响传感。
可选地，基底110还可为其他可拉伸的纤维，如牛筋线。导电网络层120可选择其他纳米或微米尺寸的导体，例如，银纳米线可替换为铜纳米线、金纳米线等，碳纳米管可替换为石墨烯、碳粉等。摩擦介质层130可选用电负性较强，特殊条件下处于熔融状态，室温下为固态，柔性、可拉伸的材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅橡胶、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。
对于单根的纤维状摩擦纳米发电机而言，可用在人体上以监测人体的活动状况，由于其可伸缩、直径小，不会对人体造成任何负担，不影响人体正常活动，相较于其它类型的电子皮肤，更舒适、更透气。
请参阅图6，本发明实施例的编织物，包括如上述的纤维状摩擦纳米发电机。该编织物可伸缩、厚度小、柔软、重量轻，可供人体穿戴，功能上能够实现发电，延展可用于检测人体状态，感应外界触碰等。
作为一个可选实施例，纤维状摩擦纳米发电机为多个，多个纤维状摩擦纳米发电机纵横交错排布以构成网状结构。其中，纵向排布的摩擦纳米发电机纤维可称为“TENG-经纱”，简称为经纱100，横向排布的纤维状摩擦纳米发电机可称为“TENG-纬纱”，简称为纬纱200，经纱100和纬纱200共同构成精确的定位坐标，通过判断电信号的来源能够精确地判断触碰位置，从而具有压力传感功能，能够精确识别压力分布状况。如图7a及图7b所示，能够实现单点压力传感，如图8a及图8b所示，也能够实现多点压力传感。
可以理解，可将其他纤维以一定的密度编织在上述网状结构中，以满足编织物的其他功能，如保暖、吸汗等。其他纤维可为弹性纤维，也可为非弹性纤维，视具体应用要求而定。
综上所述，本发明实施例的纤维状摩擦纳米发电机，或编织物，均可以作为压力传感器使用，或作为压力传感器的构成元件使用。单根的纤维状摩擦纳米发电机可实现单点及沿线多点的压力传感，编织物可实现单点、沿线多点及网面多点的压力传感，适用范围广。
本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (12)
1.一种纤维状摩擦纳米发电机制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取基底，以可拉伸纤维作为基底；
沉积第一导电部，将所述可拉伸纤维放入含有第一导电部材料的纳米线的导电油墨中浸泡并干燥，使所述纳米线附着在所述可拉伸纤维上；
沉积第二导电部，将所述可拉伸纤维放入含有第二导电部材料的溶液中浸泡并干燥，循环多次，使第二导电部材料附着在所述可拉伸纤维上，第一导电部材料与第二导电部材料交织，第一导电部与第二导电部共同构成导电网络层；
涂覆摩擦介质，将摩擦介质溶液涂覆在具有所述导电网络层的所述可拉伸纤维上并干燥，以在所述可拉伸纤维上包覆摩擦介质层。
2.根据权利要求1所述的纤维状摩擦纳米发电机制作方法，其特征在于，在所述沉积第一导电部步骤中，第一导电部材料为银纳米线；
和/或，在所述沉积第二导电部步骤中，第二导电部材料为碳纳米管，溶液的浓度为0.5％-2％。
3.根据权利要求1所述的纤维状摩擦纳米发电机制作方法，其特征在于，在所述涂覆摩擦介质步骤中，摩擦介质溶液采用聚二甲基硅氧烷溶液。
4.根据权利要求1或3所述的纤维状摩擦纳米发电机制作方法，其特征在于，在所述涂覆摩擦介质步骤中，将具有所述导电网络层的所述可拉伸纤维沿竖直方向固定，由所述可拉伸纤维的顶部涂覆摩擦介质溶液，在重力作用下摩擦介质溶液向下流动以包覆所述可拉伸纤维。
5.一种纤维状摩擦纳米发电机，其特征在于，包括可拉伸的纤维基底，所述基底上包覆有可伸缩的导电网络层，所述导电网络层外包覆有可伸缩的摩擦介质层，其中，所述导电网络层包括交织设置的第一导电部和第二导电部。
6.根据权利要求5所述的纤维状摩擦纳米发电机，其特征在于，所述基底为氨纶丝纤维或牛筋线。
7.根据权利要求5所述的纤维状摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一导电部由银纳米线、铜纳米线或金纳米线沉积而成；
和/或，所述第一导电部的材料的直径范围为300-500nm，长度范围为20-30μm。
8.根据权利要求5或7所述的纤维状摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二导电部由碳纳米管、石墨烯或碳粉沉积而成；
和/或，所述第二导电部的材料的直径范围为20-50nm，长度范围为5-10μm。
9.根据权利要求5所述的纤维状摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦介质层的材料为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚四氟乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；
和/或，所述摩擦介质层的厚度范围为0.15-2mm。
10.一种编织物，其特征在于，包括如权利要求5至9任一项所述的纤维状摩擦纳米发电机。
11.根据权利要求10所述的编织物，其特征在于，所述纤维状摩擦纳米发电机为多个，多个所述纤维状摩擦纳米发电机纵横交错排布以构成网状。
12.一种压力传感器，其特征在于，包括如权利要求5至9任一项所述的纤维状摩擦纳米发电机，或者，包括如权利要求10至11任一项所述的编织物。
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