CN109703078A - 一种两栖能源纱线及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两栖能源纱线及其制备和应用，包括：在熔融‑成型区域，利用温度场的变化制备硅橡胶管；在应力储存区域，利用应力场的变化得到具有不同预拉伸应变的硅橡胶管；在应力释放区域，利用速度场的变化得到具有内置螺旋结构的两栖能源纱线。本发明利用自行改装设计的生产设备，制备了可以连续化生产的两栖能源纱线，该能源纱线输出性能稳定、拉伸性能优异，其在水下运行时表现出违反直觉的高输出性能。

Description

一种两栖能源纱线及其制备和应用

技术领域

本发明属于可穿戴能源及其制备和应用领域，特别涉及一种两栖能源纱线及其制备和应用。

背景技术

随着可穿戴电子设备的迅速发展，人们对可穿戴能源的需求也越来越大。由于传统电池缺乏柔韧性、舒适性和轻盈性，因此其将被基于纱线或织物的柔性能量装置所取代。锂离子电池和电化学超级电容器已被集成到纺织品中，但这些柔性能源设备需要频繁且不便捷的充电，这在很大程度上阻碍了可穿戴设备的应用。压电和铁电发电机缺乏收集大幅度变形所需的弹性。而太阳能电池仅在白天可用。因此，可持续供电的摩擦纳米发电机受到广泛关注。特别是，它显示出收集低频和不规则运动的明显优势。

虽然新兴的摩擦纳米技术极大地丰富了能源纺织品的多样化应用，然而能源纺织品的发展仍面临一些严峻挑战。首先，摩擦电纱线的连续化制备尚未实现，现有的手工制备的摩擦电纱线难以满足能源织物的工业化生产，如铜丝包裹硅橡胶纤维制备的纤维基摩擦纳米发电机(Adv.Funct.Mater.2017,1604378)和聚二甲基硅氧烷/银纳米线包裹聚氨酯纤维制备的摩擦电纤维(Nano Energy 2017，41，511–518)均难以实现工业化生产。其次，高湿度或液体环境会极大地抑制摩擦纳米发电机的输出性能，摩擦电纱线难以在潮湿的环境中应用，如硅橡胶包裹不锈钢纤维制备的单螺纹基摩擦纳米发电机(Adv.Funct.Mater.2017,27,1604462)。因此，亟需一种可大规模生产并且在水下具有良好输出性能的摩擦电能源纱线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种两栖能源纱线及其制备和应用，填补了现有技术中能源纱线不能连续化生产的及难以在潮湿环境中应用的空白，该方法实现了全天候能源纱线的工业化生产。

本发明的一种两栖能源纱线，其特征在于，所述纱线置于硅橡胶管内部，并形成内置螺旋结构。

本发明的一种所述两栖能源纱线连续化生产装置，依次包括空心设备、压紧辊I、第一导向辊、滑轮组、第二导向辊、压紧辊II和卷取辊，其中空心设备中设有熔融区域、预成型区域和冷却成型区域。

所述生产装置通过硅橡胶管及其内置导电纱线连接，其中硅橡胶管及其内置导电纱线被压紧辊I和压紧辊II牵引运动。

所述空心设备的熔融区域和预成型区域设有隔热层，导电纱线在隔热层内侧牵引运动，硅橡胶在隔热层外层并向前运动。

所述隔热层的屏障效应，冷冻压缩空气不会影响熔融和预成型过程。

所述滑轮组包括上滑轮和下滑轮，硅橡胶管到达滑轮组，先进入上滑轮再传送至下滑轮，在经过上滑轮向下游引导。

所述滑轮组的下滑轮与悬挂物连接。

本发明的一种采用所述装置制备两栖能源纱线的方法，包括：

(1)导电纱线位于空心设备中央并牵引运动，硅橡胶依次通过空心设备的熔融区域、预成型区域、冷却和成型区域，得到内置导电纱线的硅橡胶管；

(2)上述硅橡胶管及其内部的导电纱线在压紧辊I和II牵引下向前移动，当到达滑轮组的位置时，通过改变悬挂物的重力与动滑轮的数量来调整滑轮组的合力和数量，得到具有不同预拉伸应变的硅橡胶管；

(3)通过控制压紧辊II卷取辊的相对转速，在内摩擦的作用下，硅橡胶管内部导电纱线形成内置螺旋结构，即得两栖能源纱线。

所述步骤(1)中空心设备为具有中空夹层的空心设备，硅橡胶在中空夹层里移动，而导电纱线始终位于空心设备的中央，并在压紧辊II牵引力的作用下向卷取辊的方向移动。

所述步骤(1)中硅橡胶依次通过设备的熔融区域、预成型区域、冷却和成型区域具体为：

在熔融区域，将硅橡胶母粒倒入挤出机，在250～280℃下挤压、熔化；随后，熔融物进入预成型区域，熔融的硅橡胶在120～180℃下转变为预成型硅橡胶；最后，预成型硅橡胶进入冷却和成型区域，经过冷冻压缩空气吹塑成型，冷却和成型区域的温度为30～50℃，冷冻压缩空气的压力为0.3～0.7MPa，在冷冻压缩空气的作用下硅橡胶急速冷却，并且硅橡胶管的孔径均匀增大。

所述步骤(2)硅橡胶管的预拉伸应变ε为0～200％，其与滑轮组的合力F_y及数量n满足以下关系式：

所述步骤(3)中压紧辊II和卷取辊的转速满足以下关系式：其中V₂和V₃分别是压紧辊II和卷取辊的转速，r₂和r₃分别是压紧辊II和卷取辊的半径，ε是硅橡胶管的预拉伸应变。

本发明一种所述两栖能源纱线的应用，两栖能源纱线既可以在陆地上运行，也可以在水下工作；此外，该两栖能源纱线在水下工作时，水分子会存在极化弛豫现象，利用水分子与带电硅橡胶表面产生的电势/极化耦合效应，使得该纱线在水下运行时具有更高的输出性能。

有益效果

(1)本发明利用改装的工业级生产设备实现了能源纱线的连续化制备；

(2)本发明制备得到的能源纱线由于水分子的极化弛豫以及电势/极化耦合效应，出现了违反直觉的反常输出性能，即在水中显示出更高的输出性能，而传统能源纱线在水下运行时输出性能基本保持不变，甚至急剧下降；

(3)本发明制备得到的能源纱线性能稳定、重复性好，其最大工作应变高达200％；

(4)本发明所用原材料均可从市场上低价购得；

(5)本发明的两栖能源纱线的内置螺旋结构使得导电纱线具有非本征弹性；基于硅橡胶管的本征弹性和导电纱线的非本征弹性，从而两栖能源纱线具有极好的拉伸性能，最大拉伸应变达到200％，而传统能源纱线的拉伸应变大部分都小于100％。

附图说明

图1为实施例1中两栖能源纱线的制备流程图和光学照片；其中(a)和(b)是两栖能源纱线的制备流程图，(c)是两栖能源纱线的光学照片，插图为能源纱线的放大照片；

图2为实施例1中两栖能源纱线的应力-应变曲线，表明两栖能源纱线力学性能稳定，其最大工作应变为200％；

图3中(a)～(d)为实施例1中两栖能源纱线的工作机理图；

图4为实施例1中两栖能源纱线的势阱模型图，该模型图显示了一个金属-非晶聚合物***的电荷转移机理；

图5为实施例1中两栖能源纱线在100％拉伸应变下的电压-时间曲线；

图6为实施例1中两栖能源纱线循环测试2000次的输出信号，表明该能源纱线输出性能稳定、重复性好；

图7为实施例1中两栖能源纱线电势/极化耦合效应的机理图；

图8为实施例1中两栖能源纱线在不同极性的环境中的输出性能；

图9为实施例2中两栖能源纱线在10％拉伸应变下的电压-时间曲线；

图10为实施例3中两栖能源纱线在200％拉伸应变下的电压-时间曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

在熔融区域，将硅橡胶母粒倒入挤出机，在250℃下挤压、熔化；随后，熔融物进入预成型区域，熔融的硅橡胶在120℃下转变为预成型硅橡胶；最后，预成型硅橡胶进入温度为30℃的冷却和成型区域，经过0.3MPa冷冻压缩空气吹塑成型，得到硅橡胶管。硅橡胶管及其内部导电纱线在压紧辊I和II的牵引力作用下向前移动，当到达滑轮组的位置时，通过调整滑轮组的合力和数量得到拉伸应变为100％的硅橡胶管。随后，硅橡胶管在压紧辊II的输送下到达应力释放区域，压紧辊II的半径为10cm、转速为90rpm，卷取辊的半径为10cm、转速为45rpm。此时，在内摩擦的作用下，在硅橡胶管内部的导电纱线形成内置螺旋结构，从而得到两栖能源纱线。

两栖能源纱线的制备流程图和光学照片，如图1所示。

两栖能源纱线的应力-应变曲线，如图2所示，表明两栖能源纱线力学性能稳定，其最大工作应变为200％。

两栖能源纱线的工作机理图，如图3所示，初始状态硅橡胶管与导电纱线完全接触，电子从导电纱线表面转移到硅橡胶管表面；二者分离时，电子从地电极流向导电纱线；二者再次接触时，电子从导电纱线流向地电极，从而在外电路形成交变电流。

两栖能源纱线的势阱模型图，如图4所示，拉伸状态下硅橡胶管与导电纱线分离，导电纱线上产生正电荷陷阱，从而有电子从地电极流向导电纱线；回缩状态下硅橡胶管与导电纱线再次接触，导电纱线上多余的电子流回地电极。

两栖能源纱线在100％拉伸应变下的电压-时间曲线，如图5所示。

两栖能源纱线循环测试2000次的输出信号，如图6所示，表明该能源纱线输出性能稳定、重复性好。

两栖能源纱线电势/极化耦合效应的机理图，如图7所示，能源纱线在水下工作时，由于水分子的极化弛豫与硅橡胶管的表面电势共同作用，使得能源纱线在接触分离期间有更多的电子发生转移。

实施例2

在熔融区域，将硅橡胶母粒倒入挤出机，在265℃下挤压、熔化；随后，熔融物进入预成型区域，熔融的硅橡胶在150℃下转变为预成型硅橡胶；最后，预成型硅橡胶进入温度为40℃的冷却和成型区域，经过0.5MPa冷冻压缩空气吹塑成型，得到硅橡胶管。硅橡胶管及其内部导电纱线在压紧辊I和II的牵引力作用下向前移动，当到达滑轮组的位置时，通过调整滑轮组的合力和数量得到拉伸应变为10％的硅橡胶管。随后，硅橡胶管在压紧辊II的输送下到达应力释放区域，压紧辊II的半径为10cm、转速为33rpm，卷取辊的半径为5cm、转速为60rpm。此时，在内摩擦的作用下，在硅橡胶管内部的导电纱线形成内置螺旋结构，从而得到两栖能源纱线。两栖能源纱线在10％拉伸应变下的电压-时间曲线，如图9所示。

实施例3

在熔融区域，将硅橡胶母粒倒入挤出机，在280℃下挤压、熔化；随后，熔融物进入预成型区域，熔融的硅橡胶在180℃下转变为预成型硅橡胶；最后，预成型硅橡胶进入温度为50℃的冷却和成型区域，经过0.7MPa冷冻压缩空气吹塑成型，得到硅橡胶管。硅橡胶管及其内部导电纱线在压紧辊I和II的牵引力作用下向前移动，当到达滑轮组的位置时，通过调整滑轮组的合力和数量得到拉伸应变为200％的硅橡胶管。随后，硅橡胶管在压紧辊II的输送下到达应力释放区域，压紧辊II的半径为5cm、转速为270rpm，卷取辊的半径为10cm、转速为45rpm。此时，在内摩擦的作用下，在硅橡胶管内部的导电纱线形成内置螺旋结构，从而得到两栖能源纱线。两栖能源纱线在200％拉伸应变下的电压-时间曲线，如图10所示。

实施例4

所用装置为：依次包括空心设备、压紧辊I、第一导向辊、滑轮组、第二导向辊、压紧辊II和卷取辊，其中空心设备中设有熔融区域、预成型区域和冷却成型区域，具体参见图1。

生产装置通过硅橡胶管及其内置导电纱线连接，其中硅橡胶管及其内置导电纱线被压紧辊I和压紧辊II牵引运动。所述空心设备的熔融区域和预成型区域设有隔热层。所述滑轮组包括上滑轮和下滑轮，硅橡胶管到达滑轮组，先进入上滑轮再传送至下滑轮，再经过上滑轮向下游引导。

Claims (11)

1.一种两栖能源纱线，其特征在于，所述纱线置于硅橡胶管内部，并形成内置螺旋结构。

2.一种权利要求1所述两栖能源纱线的连续化生产装置，其特征在于，依次包括空心设备、压紧辊I、第一导向辊、滑轮组、第二导向辊、压紧辊II和卷取辊，其中空心设备中设有熔融区域、预成型区域和冷却成型区域。

3.根据权利要求2所述设备，其特征在于，所述生产装置通过硅橡胶管及其内置导电纱线连接，其中硅橡胶管及其内置导电纱线被压紧辊I和压紧辊II牵引运动。

4.根据权利要求2所述设备，其特征在于，所述空心设备的熔融区域和预成型区域设有隔热层，导电纱线在隔热层内侧牵引运动，硅橡胶在隔热层外层并向前运动。

5.根据权利要求2所述设备，其特征在于，所述滑轮组包括上滑轮和下滑轮，硅橡胶管到达滑轮组，先进入上滑轮再传送至下滑轮，再经过上滑轮向下游引导。

6.一种采用权利要求2所述装置制备两栖能源纱线的方法，包括：

(1)导电纱线位于空心设备中央并牵引运动，硅橡胶依次通过空心设备的熔融区域、预成型区域、冷却和成型区域，得到内置导电纱线的硅橡胶管；

(2)上述硅橡胶管及其内部的导电纱线在压紧辊I和II牵引下向前移动，当到达滑轮组的位置时，通过调整滑轮组的合力和数量，得到具有不同预拉伸应变的硅橡胶管；

(3)通过控制压紧辊II和卷取辊的相对转速，在内摩擦的作用下，硅橡胶管内部导电纱线形成内置螺旋结构，即得两栖能源纱线。

7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中空心设备为具有中空夹层的空心设备，硅橡胶在中空夹层里移动，而导电纱线始终位于空心设备的中央，并在压紧辊II牵引力的作用下向卷取辊的方向移动。

8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中硅橡胶依次通过设备的熔融区域、预成型区域、冷却和成型区域具体为：在熔融区域，将硅橡胶母粒倒入挤出机，在250～280℃下挤压、熔化；随后，熔融物进入预成型区域，熔融的硅橡胶在120～180℃下转变为预成型硅橡胶；最后，预成型硅橡胶进入冷却和成型区域，经过冷冻压缩空气吹塑成型，冷却和成型区域的温度为30～50℃，冷冻压缩空气的压力为0.3～0.7MPa。

9.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)硅橡胶管的预拉伸应变ε为0～200％，其与滑轮组的合力F_y及数量n满足以下关系式：

10.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中压紧辊II和卷取辊的转速满足以下关系式：其中V₂和V₃分别是压紧辊II和卷取辊的转速，r₂和r₃分别是压紧辊II和卷取辊的半径，ε是硅橡胶管的预拉伸应变。

11.一种权利要求1所述两栖能源纱线的应用，其特征在于，两栖能源纱线既可以在陆地上运行，也可以在水下工作；在水下工作时，水分子会存在极化弛豫现象，利用水分子与带电硅橡胶表面产生的电势/极化耦合效应，使得该纱线在水下运行时具有更高的输出性能。