CN104921316A - 一种自发热保暖衣 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自发热保暖衣，属于保暖衣领域。包括镶嵌有发热网的衣服和摩擦电纳米发电机，所述摩擦电纳米发电机包括柔性导电内膜、柔性聚合物层和导电层，所述摩擦电纳米发电机与发热网连接；所述摩擦电纳米发电机可与发热网一起镶嵌于衣服内或者贴合于人体任一部分，或者缝制成衣服一起穿戴。本发明自发热保暖衣通过收集人体活动时自身产生的动能，并将动能转换为电能，用于驱动发热网发热，实现自发热保暖；本发明自发热保暖衣发热效率高，性能稳定可靠，且制作保暖衣的工艺简单，成本低廉，利于工业化的推广和应用。

Description

一种自发热保暖衣

技术领域

本发明涉及保暖衣领域，具体涉及一种自发热保暖衣。

背景技术

自发热保暖衣是一种自驱动发热而达到保暖效果的衣服，在日常生活中具有很大的意义和潜在的应用。目前，关于发热保暖衣的研究主要有：第一种是基于某些特殊纤维的吸湿发热保暖衣，这种保暖衣中特殊纤维材料分子的亲水基团与水分子结合，使水分子动能降低，同时转换为热能释放，实现吸湿发热。但是，这种保暖衣使用的特殊纤维成本很高，价格昂贵，并且随着穿着时间的延长，纤维的吸湿发热性能急剧下降。第二种是基于太阳能蓄热的发热内衣，它是通过在纤维中加入特殊物质来吸收太阳能并转换为热能，并发射出远红外线，使衣服内部变暖。但是，这种发热衣服的性能受天气变化的影响较大，在太阳光较弱的情况下，其发热升温效率很低；并且所采用的材料比较昂贵，制作成本高。最后一种是基于相变蓄热的发热衣服，它是在纤维中加入热敏相变材料，热敏相变材料能以潜热的形式吸收、储存和释放热量，从而达到吸热、发热的效果。但是这种发热衣服由于加入了相变蓄热材料，极大地降低衣服的可穿戴性，并且蓄热效率低，成本高。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种成本低廉，性能优良，发热效率高的自发热保暖衣。本发明自发热保暖衣通过收集人体活动时自身产生的动能，并将动能转换为电能，用于驱动发热网发热，实现自发热保暖。

本发明的技术方案如下：

一种自发热保暖衣，包括镶嵌有发热网101的衣服和摩擦电纳米发电机，所述摩擦电纳米发电机包括柔性导电内膜102、柔性聚合物层103和导电层104，所述摩擦电纳米发电机与发热网101连接。

进一步地，所述摩擦电纳米发电机可贴合于人体任一部分，或者与发热网一起镶嵌于衣服内，或者缝制成衣服一起穿戴。

进一步地，所述导电内膜102与导电层104为摩擦电纳米发电机的电压和电流输出电极；所述摩擦电纳米发电机与发热网连接时，可将导电内膜102和导电层104与发热网不同部位连接(双电极方式)，也可只将导电内膜102与发热网连接(单电极方式)。

其中，所述摩擦电纳米发电机还可以由导电内膜102和柔性聚合物层103组成，所述发热网与导电内膜102连接，当人体活动时，产生的机械能被发电机转换为电能并直接驱动发热网工作，实现自发热保暖的目的。

进一步地，所述柔性聚合物层103的材料为得电子能力强的材料，所述导电内膜102的材料为得电子能力弱的材料。当人体活动时，所述柔性聚合物层103或柔性聚合物层103的部分与导电内膜102发生相对位移或接触状态发生变化，从而带动柔性聚合物层103或柔性聚合物层103的部分与导电内膜102之间发生相对滑动或保持不断变化的接触状态，使柔性聚合物层103表面带负电荷，导电内膜102表面带正电荷，而柔性聚合物层将负电荷转移给导电层104，使得导电内膜102与导电层104之间产生瞬态电压，从而将身体振动的机械能转变为电能并实现对外电能的输出。

进一步地，所述柔性聚合物层103与导电内膜102的材料的得电子能力相差越大，摩擦电纳米发电机的输出功率越大，发热网的发热功率越大。

进一步地，可根据使用条件及要求，灵活选择双电极或单电极方式实现自发热；当希望保暖衣快速升温保暖时，则选用双电极摩擦电纳米发电机作为功率源；当希望保暖衣升温速率较低时，则选用单电极摩擦电纳米发电机作为功率源。由于双电极摩擦电纳米发电机的输出功率较大，单电极摩擦电纳米发电机的输出功率较小，因此，可选择性地对自发热保暖衣的发热保暖效率进行调控。

进一步地，所述发热网为镶嵌在保暖衣内的网状发热结构。

进一步地，所述柔性聚合物层103为容易得到电子的高分子聚合物材料，具体为聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈或聚双苯酚碳酸酯等。

进一步地，所述导电内膜102为导电材料，具体为玻碳、金属、铟锡氧化物或合金等；或者为表面包覆、沉积或蒸镀有导电材料的非均匀结构，所述导电材料面对柔性聚合物层。

进一步地，所述导电层104为金属薄膜或铟锡氧化物薄膜等。

进一步地，所述导电层104与所述柔性聚合物层103紧密贴合；或者通过沉积的方式将导电层沉积于柔性聚合物层103的外表面。

进一步地，所述导电内膜102的厚度为1μm～2mm。

进一步地，所述柔性聚合物层103的厚度为100nm～1mm。

进一步地，所述导电层104的厚度为200nm～1mm。

进一步地，所述柔性聚合物层103面对所述导电内膜102的表面全部或部分设置纳米、微米或次微米量级的微结构，所述导电内膜102与柔性聚合物层103接触的表面全部或部分设置纳米、微米或次微米量级的微结构，所述微结构为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列。

本发明还提供了一种自发热保暖衣的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：制备内表面具有导电性的导电内膜102；采用易得电子的高分子聚合物材料制备柔性聚合物层103；采用沉积法在所述柔性聚合物层103表面沉积导电材料，形成导电层104；

步骤2：将步骤1得到的导电内膜102和沉积有导电层的柔性聚合物层103层叠形成摩擦电纳米发电机，裁剪为衣服形状或其他形状，，并缝制，其中，所述导电内膜带导电性的一面面对柔性聚合物层103；

步骤3：将步骤2缝制得到的摩擦电纳米发电机的导电层104和导电内膜102用导线与镶嵌于衣服内的发热网连接；

步骤4：将步骤2摩擦电纳米发电机缝制的衣服形状或其他形状与镶嵌有发热网的衣服缝制在一起，得到本发明所述自发热保暖衣。

本发明的有益效果为：

1、本发明自发热保暖衣采用摩擦电纳米发电机收集人体活动时产生的各种机械能并将其转换为电能，驱动镶嵌于衣服内的发热网发热，实现自发热保暖，节能环保；且可根据不同的应用条件及要求，选择不同形式的摩擦电纳米发电机(双电极摩擦电纳米发电机或单电极摩擦电纳米发电机)作为发热网的驱动源，可选择性地对自发热保暖衣的发热保暖效率进行调控。

2、本发明自发热保暖衣发热效率高，性能稳定可靠；且制作保暖衣的工艺简单，成本低廉，利于工业化的推广和应用。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于双电极摩擦电纳米发电机的自发热保暖衣；

图2为本发明一实施例的基于单电极摩擦电纳米发电机的自发热保暖衣；

图3为本发明另一实施例的基于单电极摩擦电纳米发电机的自发热保暖衣。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详述本发明的技术方案。

图1为本发明一实施例的基于双电极摩擦电纳米发电机的自发热保暖衣的示意图；自发热保暖衣包括镶嵌有发热网101的衣服和双电极摩擦电纳米发电机，所述摩擦电纳米发电机包括柔性导电内膜102、柔性聚合物层103和导电层104，所述摩擦电纳米发电机与发热网101连接，导电内膜102面对柔性聚合物103，导电内膜102与导电层104为摩擦电纳米发电机的电压和电流输出电极。

进一步地，所述发热网101为镶嵌在保暖衣内的一层网状发热结构，不会影响衣服的正常使用。

进一步地，所述摩擦电纳米发电机可贴合于人体的任何地方或者镶嵌在衣服内，其面积大小可根据发热效率调控(在相同条件下，发电机面积大发热效率高，面积小发热效率低)；也可以将摩擦电纳米发电机的两个电极片做成内外两层衣服，并与带发热网的衣服缝制在一起，这样极大地提高了发电机的输出功率，从而更高效地驱动发热网。

进一步地，由于柔性聚合物层103材料与导电内膜102材料的摩擦电性质不同，二者之间存在得电子能力的差异：柔性聚合物层103得电子能力强而导电内膜102更容易失去电子。当人体活动时，柔性聚合物层103或柔性聚合物层103的某些部分会与导电内膜102发生相对位移，从而带动柔性聚合物层103或柔性聚合物层103的某些部分与导电内膜102之间保持“接触”与“分开”的不断变化或者相对滑动的接触状态，使得柔性聚合物层103表面带负电荷，导电内膜102表面带正电荷，而柔性聚合物层将负电荷转移给导电层104，使得导电内膜102和电极层104之间产生瞬态电压，从而将身体运动的机械能转变为电能，并用来驱动发热网101。

进一步地，上述材料的摩擦电性质是指材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得电子能力，即两种材料接触时一个带正电，一个带负电。例如，高分子材料聚对二甲基硅氧烷(PDMS)与金属材料铝箔接触时铝箔带正电，即得电子能力较弱，聚对二甲基硅氧烷(PDMS)带负电，即得电子能力较强。

进一步地，所述发热网101与摩擦电纳米发电机的两极(导电内膜102与导电层104)连接，当人体活动时，产生的机械能被发电机转换为电能并直接驱动发热网工作，实现自发热保暖的目的。

进一步地，所述发热网101与摩擦电纳米发电机的导电内膜102一极连接(单电极)，当人体活动时，产生的机械能被发电机转换为电能并直接驱动发热网工作，实现自发热保暖的目的。

进一步地，可根据使用条件及要求，灵活选择双电极或单电极方式实现自发热；当希望保暖衣快速升温保暖时，则选用双电极摩擦电纳米发电机作为功率源；当希望保暖衣升温速率较低时，则选用单电极摩擦电纳米发电机作为功率源。由于双电极摩擦电纳米发电机的输出功率较大，单电极摩擦电纳米发电机的输出功率较小，因此，可选择性地对自发热保暖衣的发热保暖效率进行调控。

进一步地，所述导电层104和导电内膜102通过导线连接到发热网101上以构成回路，从而驱动发热网101工作。

进一步地，所述柔性聚合物层103为容易得到电子的高分子聚合物材料中的一种，其中，下列材料按照排列的顺序具有越来越强的得电子能力：聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯。限于篇幅的原因，本发明不能对所有可能的材料进行例举，此处仅列出几种具体的聚合物材料以供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

进一步地，当柔性聚合物层103的材料与导电内膜102的材料的得电子能力相差越大时，所述摩擦电纳米发电机输出的电信号越强，自发热效率越高，所以，可以根据材料的不同摩擦电性质来挑选，以获得最优的发热效率。

进一步地，所述导电层104为导电材料，可选自金属薄膜或铟锡氧化物薄膜，更优选为金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜。

进一步地，所述导电层104应该与所述柔性聚合物层103紧密接触，以保证电荷的传输效率，较好的方式是将构成导电层104的导电材料通过沉积的方式在所述柔性聚合物层103的外表面沉积成膜，具体沉积方法为磁控溅射或蒸镀等。

另外，本发明对于制备所述导电内膜102的材料没有特殊要求，只要其与柔性聚合物层103相接触的表面具有导电性即可，具有导电性能的材料都相对容易失去电子，在与柔性聚合物层103接触时就能够形成电荷的转移，从而产生净剩电荷，用于发电。常规的导电材料均可用于本发明，例如金属、玻碳材料、铟锡氧化物ITO导电材料以及上述材料的组合。所述金属可以是铝、金、铜等纯金属，也可以是多种金属的合金。由于与柔性聚合物层103接触的仅仅是导电内膜102的一面，所以仅要求导电内膜102与柔性聚合物层103接触的一面由导电材料构成，而对其内部材料没有特殊要求。因此，所述导电内膜102可以是组分均匀的一体结构，如玻碳、单一金属或合金等，也可以是基体通过包覆、沉积或镀的方法在表面形成导电材料层的非均匀结构。

图2和图3为本发明的基于单电极摩擦电纳米发电机的自发热保暖衣的结构示意图。当对发热升温速率或效率要求较低时，可以采用此技术，即只需要将摩擦电纳米发电机的一端102连接在发热网101上，另一端104悬空。这时，在相同条件下摩擦电纳米发电机的输出功率降低，发热网101的升温速度和发热效率也降低。图3是对图2的进一步简化，由于柔性聚合物层103的电极层104处于悬空状态，实际起发电作用的是导电内膜102和柔性聚合物层103，因此，可以去掉电极层104，直接形成单电极摩擦电纳米发电机，并用来驱动发热网101。

在本发明一实施例中，可采用以下方法来制备所述自发热保暖衣：

首先采用蒸镀法在长10cm×宽20cm×厚150μm的聚二甲基硅氧烷的一表面均匀镀一层铜Cu膜(厚度为200nm)，然后将一块Al膜(厚度为200μm)作为导电内膜，在Al膜和Cu膜上引出导线，并连接到发热网上；将Al膜和聚二甲基硅氧烷互相拍打，并用热电偶记录镶嵌于保暖衣内的发热网的温度，发现经过一段时间后，发热保暖衣内温度升高。

这说明基于双电极摩擦电纳米发电机的自发热保暖衣的设计是成功的，能够达到自发热保暖的效果。

在本发明另一实施例中，可采用以下方法制备自发热保暖衣：

将一片长20cm×宽30cm×厚500μm的聚四氟乙烯作为柔性聚合物层，将一块等面积大小的Cu膜(厚度为200μm)作为导电内膜，Cu膜引出导线并与碳纤维发热网连接；将聚四氟乙烯片与Cu膜互相拍打，经过一段时间后，发现保暖衣内的发热网温度升高。

这说明基于单电极摩擦电纳米发电机的自发热保暖衣的设计也是成功的，能够达到自发热保暖的效果。

在本发明的第三个实施例中，可以采用以下方法制备发热效率更高的自发热保暖衣：

首先采用蒸镀法在长5cm×宽6.5cm×厚100nm的聚二甲基硅氧烷的一表面均匀镀一层Cu薄膜(厚度为300nm)，冷却后将一根导线的一端通过焊接固定在Cu薄层的外侧，实现Cu薄层与导线的连接，如此形成由聚二甲基硅氧烷和Cu薄膜构成的柔性聚合物层和导电层；然后将一块Al膜(厚度为150μm)作为导电内膜，并且引出导线；将带Cu薄膜的聚二甲基硅氧烷和Al膜平铺在一起，内层增加一层内层布料，外层增加一层外层布料，将内层布料、摩擦电纳米发电机和外层布料由内向外用普通的尼龙线或者棉线与敷设有发热网的布料一起缝制成一件衣服，所述发电机的两极分别连接发热网；当人体有任何活动时，摩擦电纳米发电机收集机械能并转换成电能直接驱动碳纤维发热网，使保暖衣发热。

本发明的一个重要特点就是全部选用柔性材料，这些材料不仅柔性极高，质量很轻，并且成本低廉。

本发明的另一个重要特点是可以采用单电极摩擦电纳米发电机收集人体活动的机械能用来驱动发热网，打破了常规的双电极设计思路，极大的简化了结构和制备工艺，节约了成本，非常有利于基于摩擦电纳米发电机的自发热保暖衣在生产生活中的推广和应用。

Claims (10)

1.一种自发热保暖衣，包括镶嵌有发热网(101)的衣服和摩擦电纳米发电机，所述摩擦电纳米发电机包括柔性导电内膜(102)、柔性聚合物层(103)和导电层(104)，所述摩擦电纳米发电机与发热网(101)连接。

2.根据权利要求1所述的自发热保暖衣，其特征在于，所述摩擦电纳米发电机贴合于人体任一部分或者与发热网一起镶嵌于衣服内。

3.根据权利要求1所述的自发热保暖衣，其特征在于，所述导电内膜(102)与导电层(104)为摩擦电纳米发电机的电压和电流输出电极；所述摩擦电纳米发电机与发热网连接时，可将导电内膜(102)和导电层(104)与发热网连接，或者只将导电内膜(102)与发热网连接。

4.根据权利要求1所述的自发热保暖衣，其特征在于，所述摩擦电纳米发电机由导电内膜(102)和柔性聚合物层(103)组成，所述发热网与导电内膜(102)连接。

5.根据权利要求1所述的自发热保暖衣，其特征在于，所述柔性聚合物层(103)的材料为得电子能力强的材料，所述导电内膜(102)的材料为得电子能力弱的材料。

6.根据权利要求1所述的自发热保暖衣，其特征在于，所述柔性聚合物层(103)为易得电子的高分子聚合物材料，具体为聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈或聚双苯酚碳酸酯。

7.根据权利要求1所述的自发热保暖衣，其特征在于，所述导电内膜(102)为导电材料或者表面包覆、沉积、蒸镀有导电材料的非均匀结构。

8.根据权利要求1所述的自发热保暖衣，其特征在于，所述导电内膜(102)的厚度为1μm～2mm；所述柔性聚合物层(103)的厚度为100nm～1mm。

9.根据权利要求1所述的自发热保暖衣，其特征在于，所述柔性聚合物层(103)面对导电内膜(102)的表面全部或部分设置纳米、微米或次微米量级的微结构，所述导电内膜(102)与柔性聚合物层(103)接触的表面全部或部分设置纳米、微米或次微米量级的微结构，所述微结构为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列。

10.一种自发热保暖衣的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：制备内表面具有导电性的导电内膜(102)；采用易得电子的高分子聚合物材料制备柔性聚合物层(103)；采用沉积法在所述柔性聚合物层(103)表面沉积导电材料，形成导电层(104)；

步骤2：将步骤1得到的导电内膜102和沉积有导电层的柔性聚合物层(103)层叠形成摩擦电纳米发电机，裁剪为衣服形状或其他形状，并缝制，其中，所述导电内膜带导电性的一面面对柔性聚合物层(103)；

步骤3：将步骤2缝制得到的摩擦电纳米发电机的导电层(104)和导电内膜(102)用导线与镶嵌于衣服内的发热网连接；

步骤4：将步骤2摩擦电纳米发电机缝制的衣服形状或其他形状与镶嵌有发热网的衣服缝制在一起，得到本发明所述自发热保暖衣。