一种多电极摩擦发电纤维及其制备方法和应用与流程

本发明涉及功能纤维领域，具体涉及一种多电极摩擦发电纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着科技的发展，智能可穿戴设备表现出了巨大的发展前景。人体是一个重要的能量来源，人们在运动时产生的摩擦可以实现能量转换，可以为穿戴电子设备供电，满足耗能需求，从而摆脱外接电池的依赖。变形传感器在柔性可穿戴电子设备中扮演着举足轻重的角色。基于纤维的传感器具有柔软的特性，可以编织到纺织品中或集成在任意形体上，因此，纤维传感器成为了监测人体复杂活动的下一代电子产品的理想选择。

2、但目前的柔性纤维电极在应用过程中还存在一些不足，例如电压负载能力不足，柔韧性有待提高，弹性较差，或者供电性能不足等等。

3、例如专利文献cn 111996641b提出一种由热塑性弹性体皮层和内置纱线组成的摩擦电纱线，其内置纱线的取向纳米纤维层为可溶性聚合物，芯层为导电纤维，其导电纤维采用金属丝或碳纤维；专利文献cn 101339820b公开了一种光电纤维的制备方法，该纤维由有机聚合物制成预制棒，预制棒中心轴设有穿入光导纤维的中心孔，以及一个或多个金属丝穿过的通孔，将预制棒进行热拉伸拉出由聚合物包裹光导纤维和金属丝的纤维，它们的芯层电极弹性较差且未经过加弹处理，纱线拉伸具有一定的局限性。

4、又如专利文献cn 110227208a提出了以柔性丝状导电材料为芯层，以聚醚醚酮为涂层，进行热拉伸后制备出的柔性纤维电极；专利文献cn 111277167a公开了一种液态电极-聚合物复合纤维，它们的单电极结构对于电压负载能力具有一定的局限性。

5、又如专利文献cn 108180927b公开了一种全柔性自供能传感器，其包括液态金属电极层、压电材料层和封装层，其制备工艺复杂，且液态金属存在泄露风险，存在生物相容性隐患，同时液态金属的电阻率比铜丝高，导电性能不佳，影响供能效果。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中的一个或多个不足，提供一种新型的多电极摩擦发电纤维的制备方法，该方法制备的多电极摩擦发电纤维能够兼具良好的电荷承载能力、柔韧性佳、弹性好、生物相容性好和供电能力强等优点。

2、本发明同时还提供了一种上述方法制备的多电极摩擦发电纤维及其在制备变形传感器中的应用。

3、为达到上述目的，本发明采用的一种技术方案是：

4、一种多电极摩擦发电纤维的制备方法，所述制备方法包括：

5、采用摩擦盘假捻器对多根铜丝进行假捻，所述摩擦盘假捻器包括由绝缘材料制成的摩擦盘轴以及分别设置在所述摩擦盘轴上且由上而下依次设置的第一摩擦盘、第二摩擦盘，所述第一摩擦盘、所述第二摩擦盘的材质均为碳纤维；

6、通过第一静电纺丝机构纺出改性聚乙烯醇纤维并使其附着在所述第一摩擦盘上，通过第二静电纺丝机构纺出sebs纤维并使其附着在所述第二摩擦盘上；

7、在假捻过程中，所述的多根铜丝先与所述第一摩擦盘发生摩擦，再与所述第二摩擦盘发生摩擦，在所述的多根铜丝表面依次形成具有内层和外层的双层包覆结构，所述内层由改性聚乙烯醇纤维包覆形成，所述外层由sebs纤维包覆形成；

8、其中，所述改性聚乙烯醇纤维通过将含有银粉的聚乙烯醇纺丝液纺丝制成。

9、根据本发明的一些优选方面，控制单根铜丝的直径小于0.5mm，铜丝的根数为2-8根，且所述的多根铜丝的总直径小于3mm。

10、进一步地，控制单根铜丝的直径为0.01-0.15mm。

11、进一步地，控制所述的多根铜丝的总直径为0.15-0.65mm。

12、进一步地，铜丝的根数可以为2、3、4、5、6、7、8、9或10根。

13、根据本发明的一些具体且优选的方面，在制备过程中，使制备得到的多电极摩擦发电纤维能够接地。碳纤维具有一定的导电性，而摩擦盘与铜丝接触，因此，当制备得到的多电极摩擦发电纤维能够接地时，相当于摩擦盘接地，在静电纺丝过程中，便于通过静电牵引而实现在摩擦盘上收集纺出的纤维，同时碳纤维的导电性不如铜丝，在摩擦盘旋转过程中，铜丝能再次接收摩擦盘上的纤维，从而使静电纺出的丝通过摩擦盘的传递然后负载在铜丝表面。

14、根据本发明的一些优选方面，在假捻过程中，拉伸倍数为1.110-1.115，各摩擦盘的表面速度与丝条离开摩擦盘假捻器的速度的比值为1.65-1.80，丝条离开摩擦盘假捻器的速度为450-650m/h，加捻张力t1与解捻张力t2的比值为0.75-0.85，各摩擦盘的转速独立地为150-200r/min。

15、根据本发明的一些优选方面，所述含有银粉的聚乙烯醇纺丝液中，银粉的质量含量为0.04-0.12g/ml，聚乙烯醇的质量浓度为14％-20％。

16、根据本发明的一些优选方面，所述聚乙烯醇的分子量为50000-180000，优选为80000-140000。

17、在本发明的一些实施方式中，所述含有银粉的聚乙烯醇纺丝液的制备方法包括：

18、向容器中加入二甲基亚砜(dmso)，再称取一定量的聚乙烯醇(pva)加入容器内，将容器放入水浴机内，以80-95℃的水浴加热搅拌(时间可以为30-120min)，配制浓度为14％-20％的pva溶液，再向pva溶液中加入适量银粉，使银粉在pva溶液内的浓度为0.04-0.12g/ml，搅拌，并超声震荡。

19、根据本发明的一些优选方面，所述sebs纤维通过将sebs纺丝液纺丝制成，所述sebs纺丝液通过将sebs分散在环己烷中获得，所述sebs纺丝液中sebs的质量浓度为10％-20％。

20、在本发明的一些实施方式中，所述sebs纺丝液的制备方法包括：

21、将一定量的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(sebs)加入到环己烷中搅拌至彻底溶解后，将其置于水浴中超声，去除纺丝液中气泡，制得质量浓度为10％-20％的sebs纺丝液。

22、根据本发明的一些优选方面，所述第一静电纺丝机构的纺丝喷头与所述第一摩擦盘的距离、所述第二静电纺丝机构的纺丝喷头与所述第二摩擦盘的距离均为5-10cm。

23、根据本发明的一些优选方面，在纺出所述改性聚乙烯醇纤维的过程中，所述含有银粉的聚乙烯醇纺丝液的流速为0.1-0.3ml/h；

24、在纺出所述sebs纤维的过程中，通过将sebs纺丝液纺丝制成，所述sebs纺丝液的流速为0.6-0.8ml/h。

25、本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的多电极摩擦发电纤维的制备方法制成的多电极摩擦发电纤维。

26、本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的多电极摩擦发电纤维在制备变形传感器中的应用。

27、由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

28、第一、本发明制备的新型多电极摩擦发电纤维，外壳为sebs，芯层为多根铜丝电极，利用sebs优异的流变性能，其更加符合人体的运动，进而可以更好的监测人体活动，同时sebs通过和铜丝进行摩擦，可以产生较大的电压输出，铜丝电极优异的电导率能够很好地收集摩擦电荷。

29、第二、本发明提供的多电极结构可以使得该摩擦发电纤维具有良好的电荷承载能力，可以满足智能穿戴设备的供电；

30、当电荷在摩擦电纤维中产生时，它们会通过铜丝的导电路径进行传递和积聚，更多的铜丝根数意味着更多的导电路径，使电荷能够在纤维中更有效地传播；同时，铜丝的根数增加会导致摩擦电纤维的接触面积增加；较大的接触面积可以提供更多的摩擦表面，增加了电荷的产生和传递区域，从而可能提高摩擦电性能。根数的增加也会导致摩擦电纤维的导电性能增强；较好的导电性能有助于电荷的传递和积聚，从而增强摩擦电性能。

31、较多的铜丝也会具有更好的结构稳定性，在使用和应力加载过程中，纤维更能保持形状和结构完整性，从而有助于保持摩擦电性能的稳定性。

32、第三、本发明创造性地采用摩擦盘假捻器与静电纺丝设备相配合，一方面，利用摩擦盘假捻器对尺寸比较细的多根铜丝进行假捻使其具有更好的抱合性，另一方面，本发明还能够在假捻的过程将含有银粉的改性聚乙烯醇纤维和sebs先后包覆在多个铜丝的表面，使得整体结构不仅具有优异的韧性，而且拉伸性能好，编织效果同样优异。

33、第四、本发明选用的聚乙烯醇(pva)内含有大量的羟基官能团，而羟基官能团能够与集流体形成氢键(pva可以通过其羟基官能团与金属表面发生物理吸附或化学键的形成，从而实现与金属的粘合，其可以与金属表面上的氧原子或其他电负性较高的原子形成氢键)，从而获得良好的粘结性，使得纤维外层sebs和内层铜丝电极有着更好的粘结包覆效果，且pva优异的生物相容性使其更加适用于可穿戴设备；此外，银粉的添加可以更好地提高电荷传导的能力。

34、第五、本发明多电极摩擦发电纤维能够通过摩擦起电效应和静电感应原理来记录机械运动，并将人体各部位运动产生的机械能转化为电能，其优异的弹性和电导率使其可用于多功能穿戴系统和智能纺织品等领域。