一种可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱及制备方法和应用

本发明属于摩擦发电，涉及一种可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱及制备方法和应用。

背景技术：

1、呼吸作为人体生命活动的重要体征，对于许多疾病的早期诊断具有决定性的意义，如阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、心脏骤停和心肺衰竭等。然而，传统的呼吸监测设备因其笨重的体积、复杂的结构以及外部电源的需求，限制了其便携性和舒适性，无法满足长时间、实时且便携的监测需求。

2、近年来，摩擦电传感器作为一种新兴技术，因其独特的自供电特性、广泛的材料选择范围以及高度的可设计性，在呼吸监测领域展现出了巨大的潜力。特别是具有一维结构的摩擦电传感纱，结合了摩擦电传感器的自供电性能与纱线的柔性特点，成为实现长时连续呼吸监测的理想选择。

3、尽管摩擦电传感纱的研究取得了显著进展，但现有技术仍存在一些关键问题亟待解决。首先，当前许多双电极摩擦电传感纱的设计中，支撑层和第二电极层通常采用纤维缠绕的方式构建(例如专利申请cn114285319b)。这种结构使得支撑层和第二电极层之间难以形成稳定的低接触电阻界面，从而影响了接触分离过程中电荷的有效转移和收集，降低了传感纱的灵敏度和准确性。同时，这种同轴结构在拉伸弹性和柔软性方面表现不佳，限制了其在日常穿着和实时监测中的应用。

4、此外，一些研究提出的管状同轴结构传感纱(如文献(scalable core–spuncoating yarn-based triboelectric nanogenerators with hierarchical structurefor wearable energy harvesting and sensing via continuous manufacturing,nanoenergy,2022,91:106672))，尽管在结构上进行了创新，通过引入空气间隔来提高电能输出，但在两摩擦层间缺乏有效的支撑结构。这导致在微小应变运动下，两摩擦电复合纱线间的接触变得不可控，进而影响了传感纱的稳定性和输出电能的可靠性。因此，这种传感纱在重复、准确监测具有低频率和小应变特点的呼吸运动时表现不佳。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱及制备方法和应用。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱，包括可拉伸纱线、绝缘纱线编织网、正摩擦电极纱线编织网；

4、可拉伸纱线包括导电纱线/弹性纱线包覆纱、负摩擦电极纱线编织网；导电纱线/弹性纱线包覆纱由弹性纱线(如氨纶、橡胶丝、弹性涤纶等)以及螺旋包缠在其表面的导电纱线(例如镀银尼龙丝、镀铜尼龙丝或芳纶长丝纱线等)组成；负摩擦电极纱线编织网包裹在导电纱线/弹性纱线包覆纱上，由负摩擦电极纱线构成且呈交织堆叠网格状态；可拉伸纱线中导电纱线作为接触分离电荷的传输导线；导电纱线螺旋包缠在弹性纱线的表面可实现导电纱线的拉伸回弹性；在导电纱线/弹性纱线包覆纱的表面编织负摩擦电极纱线相对于在导电纱线/弹性纱线包覆纱的表面缠绕负摩擦电极纱线更有利于获得结构稳定的可拉伸纱线，进而有利于产生稳定的摩擦电现象；

5、绝缘纱线编织网包裹在可拉伸纱线上，由绝缘纱线构成且呈交织堆叠网格状态；

6、正摩擦电极纱线编织网包裹在绝缘纱线编织网上，由正摩擦电极纱线构成且呈交织堆叠网格状态；

7、无外力作用时，正摩擦电极纱线编织网与负摩擦电极纱线编织网不接触；受拉伸或弯曲作用时，正摩擦电极纱线编织网与负摩擦电极纱线编织网通过绝缘纱线编织网上的孔洞接触；具体原理为：当摩擦电传感纱被拉伸时，交织弯曲和包缠螺旋形态纱线伸直，摩擦电传感纱被拉伸变细，使正摩擦电极纱线编织网挤压负摩擦电极纱线编织网，由于可拉伸纱线比绝缘纱线的压缩柔软性高，则在拉伸初始阶段更多为相对硬的绝缘纱线编织网挤压负摩擦电极纱线编织网使其局部凸起穿过绝缘纱线编织网，随着拉伸程度增加，相对硬的绝缘纱线编织网成为支撑网，正摩擦电极纱线编织网将相应有网格产生局部凸起，两种效应的综合效应使摩擦电传感纱在拉伸/回复过程中产生显著的接触分离行为而得到高的摩擦电现象；同理，在压缩过程中，相对硬的绝缘纱线编织网同时发挥支撑和挤压作用，使正摩擦电极纱线编织网和负摩擦电极纱线编织网在绝缘纱线编织网的作用下局部凸起而发生接触，在压缩回复时发生分离，从而产生明显的摩擦电现象；正是因为此，当可拉伸纱线、正摩擦电极纱线编织网的材料及结构选择确定后，通过改变绝缘纱线编织网的材料规格和编织参数可调控摩擦电随拉伸或压缩回复过程的响应程度。

8、作为优选的技术方案：

9、如上所述的一种可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱，弹性纱线的弹性伸长超过200％，直径为1120d；导电纱线的线电阻为6ω/cm，直径为70d，导电纱线的包缠捻度为1000捻/米；负摩擦电极纱线为ptfe复丝，直径为400d；负摩擦电极纱线编织网的厚度为0.35mm，编织角为50°，编织结构类型为平纹编织。

10、可拉伸纱线的制备步骤如下：

11、(a)采用包缠机将导电纱线螺旋包缠到弹性纱线表面，得到导电纱线/弹性纱线包覆纱；

12、(b)对导电纱线/弹性纱线包覆纱进行预拉伸(预拉伸比为1:2)后，使用高速编织机将负摩擦电极纱线编织到导电纱线/弹性纱线包覆纱的表面，经下机回复在导电纱线/弹性纱线包覆纱的表面形成负摩擦电极纱线编织网，即得可拉伸纱线。

13、如上所述的一种可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱，绝缘纱线为棉纱(24tex，中国山东泽宇纺织有限公司)、涤纶单丝(25.4tex，中山市和瑞兴纤维科技有限公司)或尼龙单丝(9.4tex、23.4tex或40tex，广东易志服装配件有限公司)；绝缘纱线编织网的厚度为0.12-0.61mm，编织角为25-55°，编织结构类型为平纹编织。

14、如上所述的一种可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱，正摩擦电极纱线由镀银尼龙丝以及螺旋包缠在其表面的尼龙66膨体纱组成；

15、镀银尼龙丝的规格为70d/24f(厂商为济南裕摩科技贸易有限公司)；尼龙66膨体纱的规格为100d/34f×2(厂商为诸暨市蔓越化纤厂)，尼龙66膨体纱的包缠捻度为2000-3200捻/米，尼龙66膨体纱的包缠捻度可调控正摩擦电极纱线的性能；

16、正摩擦电极纱线的制备过程为：用电脑包缠机(hkv141a(ii)-32型，浙江精工集成科技股份有限公司)将尼龙膨体纱包缠在镀银尼龙丝表面，即得正摩擦电极纱线；

17、正摩擦电极纱线编织网的厚度为0.19-0.22mm，编织角为25-35°，编织结构类型为平纹编织。

18、如上所述的一种可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱，可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱的弹性伸长超过30％，弹性伸长回复率超过88％，有效应变响应线性拟合度超过0.982，对人体呼吸监测的准确度超过99.2％(相对于现有技术至少提升了5％)，具有对往复的拉伸和弯曲两种变形模式敏感的特性。

19、本发明还提供了制备如上任一项所述的一种可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱的方法，包括以下步骤：

20、(1)对可拉伸纱线进行预拉伸(预拉伸的目的是确保最后摩擦电传感纱具有良好的拉伸性，避免产生成型外观无扭曲、直径不匀等不良形态)后，通过高速编织机(110-12×1型，徐州七星机械有限公司)在可拉伸纱线的表面编织绝缘纱，经下机回复在可拉伸纱线的表面形成绝缘纱线编织网，得到编织复合纱线；

21、(2)对编织复合纱线进行预拉伸后，通过高速编织机(110-32×1型，徐州七星机械有限公司)在编织复合纱线的表面编织正摩擦电极纱线，经下机回复在编织复合纱线的表面形成正摩擦电极纱线编织网，即得可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱。

22、作为优选的技术方案：

23、如上所述的方法，步骤(1)中，预拉伸比为1:1.7，预拉伸比如此设置是因为可拉伸纱线在72％拉伸范围内具有100％拉伸回弹率；绝缘纱的根数为6-12根；步骤(2)中，预拉伸比不超过编织复合纱线的弹性伸长恢复率(≤72％)，否则会影响可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱的使用稳定性；正摩擦电极纱线的根数为12-32根。

24、本发明还提供了如上任一项所述的一种可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱的应用，用于人体呼吸监测。

25、发明原理：

26、下面以往复拉伸运动为例说明本发明的可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱的工作原理。可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱在拉伸回复过程中的截面变化如图4(a)所示。正摩擦电极纱线编织网在张力作用下向内压缩，推动编织结构松散的正摩擦电极纱线编织网通过绝缘纱线编织网的网孔与负摩擦电极纱线编织网接触。为便于理解往复拉伸运动中的电荷转移过程，拉伸回复循环被简化为两摩擦电极纱线(即正摩擦电极纱线与负摩擦电极纱线)之间的接触分离过程，如图4(b)所示。当可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱被拉伸时，正摩擦电极纱线编织网通过绝缘纱线编织网的网孔与负摩擦电极纱线编织网接触，见图4(b-i)，此时两摩擦电极上的感应静电荷完全平衡。当可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱逐渐恢复时，见图4(b-ii)，正摩擦电极纱线编织网由于内层弹性纱线的回弹而缓慢恢复到其初始状态，使得接触的两摩擦电极纱线逐渐分离，在静电感应下，正电荷从正摩擦电极纱线转移到负摩擦电极纱线。由于电荷转移，两摩擦电极纱线之间的电势差将驱动电子反向流动，并产生瞬时电流。当正摩擦电极纱线编织网恢复到其初始状态时，见图4(b-iii)，两摩擦电极纱线之间存在最大间隔距离，即绝缘纱线编织网的厚度，并且两摩擦电极纱线之间的电荷转移达到平衡状态。当再次拉伸时，两摩擦电极纱线再次靠近，见图4(b-iv)，并且积聚在负摩擦电极纱线上的正电荷将流回正摩擦电极纱线以补偿电势差，从而产生反向电流，直到两摩擦电极纱线再次接触，见图4(b-i)。因此，在拉伸回复循环过程中产生交流电。

27、本发明可解决cn114285319b、文献(scalable core–spun coating yarn-basedtriboelectric nanogenerators with hierarchical structure for wearable energyharvesting and sensing via continuous manufacturing,nano energy,2022,91:106672)设计的摩擦电传感纱存在的问题，因为本发明增设了绝缘纱线编织网，在拉伸初始，绝缘纱线编织网在物理上完全分开两摩擦电极纱线，即图4(b-iv)；如果没有本发明的绝缘纱线编织网，在拉伸未开始前，则或多或少呈现图4(b-i)状态，导致接触分离过程中有效接触面积变化范围比本发明窄。其次，为了穿过绝缘纱线编织网，两摩擦电极纱线的弯曲程度超过没有绝缘纱线编织网的情况，以致在应用过程中接触-分离更易弹性回复。

28、有益效果：

29、本发明制得的可拉伸同轴双电极摩擦电传感纱具有良好的拉伸弹性和柔软性，适于监测具有低频率和小应变特点的呼吸运动。