CN110670162B - 一种自发电柔性电磁纤维及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功能性纺织品领域，涉及一种自发电柔性电磁纤维及其制备方法与应用。该方法包括：将具有电磁感应效应的磁性粒子加入到液态有机高分子聚合物中形成混合物A；将A搅拌形成混合液B，B中液态有机高分子聚合物的质量百分数浓度为30％～90％，磁性粒子的质量百分数浓度为10％～70％；将无水乙醇作为分散液C；将B加入到C中进行分散，得到掺杂有磁性粒子的聚合物复合纤维D或纤维薄膜E；将D或E干燥去除溶剂后与导电金属线缠绕编织，得到自发电柔性电磁纤维F，F发生形变或位移会产生感应电动势。本发明填补了现有技术在轻量化自发电纤维材料上的空白，解决外部供电装置使用范围有限，而自发电装置难以轻量化的技术问题。

Description

一种自发电柔性电磁纤维及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于功能性纺织品领域，涉及一种自发电柔性电磁纤维及其制备方法与应用，更具体地，涉及一种利用液态纺丝法制备的柔性电磁纤维，以及该纤维材料的在可穿戴器件上的应用。
背景技术
随着科技和人们生活水平的不断提高，民众对个人保健及疾病预防越来越重视，对特种行业从业人员的健康安全的监测的关注也在加深。纺织服装作为人们日常不可缺少的一部分，是实现实时监测的理想客体。而纤维作为服装的基本单元，具有可编织、高度灵活等特点。
可穿戴传感设备可以随时随地的监测我们人体的生理信号，为我们提供实时的身体状况反馈。因此，如果能够以纤维作为传感器的基本单元，通过编织集成的方式，则有望将成千上万的纤维传感器集成到织物上，实现多种传感功能集于一体的目的。同时，由于纤维柔软、可弯曲等特性使得其能够和我们身体有效贴合，实现大面积的实时监测。
然而，目前市场上相关的纤维传感器多数需要依靠从外部供电或者与储能装置(如电池)等配套工作才能正常使用，而这也限制了它的使用范围、使用寿命以及轻量化智能化等发展方向。
因此，有必要开发一种能够依靠自身发电的纤维传感器，使其能进一步向更轻质量及更小体积等趋势提升。
但是，目前主流的自发电装置中，导电线圈和磁体基本为硬质材料，且质量较重，很难做成纤维状或织物状。因此，若是想将电磁自发电装置应用在可穿戴器件上，制作更轻量化以及更好弹性的电磁材料就显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自发电柔性电磁纤维及其制备方法与应用，其目的在于，通过将磁性粒子与有机聚合物混合，结合液态纺丝方法制备出在发生形变或位移时会产生感应电动势的自发电柔性电磁纤维，由此填补现有技术在轻量化自发电纤维材料上的空白，解决外部供电装置使用范围有限，而自发电装置难以轻量化的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自发电柔性电磁纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有电磁感应效应的磁性粒子加入到液态有机高分子聚合物中，形成混合物A；
(2)将步骤(1)得到的混合物A充分搅拌形成均匀的混合液B；其中，混合液B中液态有机高分子聚合物的质量百分数浓度为30％～90％，磁性粒子的质量百分数浓度为10％～70％；
(3)将无水乙醇加入到培养皿中，作为分散液C；
(4)将步骤(2)得到的混合液B加入到分散液C中进行分散，得到掺杂有磁性粒子的聚合物复合纤维D或纤维薄膜E；
(5)将步骤(4)得到的聚合物复合纤维D或纤维薄膜E进行干燥去除溶剂，然后与导电金属线缠绕编织组成织物，得到自发电柔性电磁纤维F。
进一步地，步骤(1)中，液态有机高分子聚合物包括苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、己二酸丁二醇酯/对苯二甲酸丁二醇酯共聚物中的任意一种，或者其中两者以上的混合物。
进一步地，步骤(1)中，具有电磁感应效应的磁性粒子为无机物磁粉。
进一步地，所述无机物磁粉包括钕铁硼磁粉、钕镍钴磁粉、氧化铁磁粉、二氧化铬磁粉、钴-氧化铁磁粉、金属磁粉中的任意一种，或者其中两者以上的混合物。
进一步地，步骤(2)中搅拌温度为30-90℃，搅拌速度为50-200转/分钟，搅拌时间为1-5小时。
进一步地，步骤(5)中的干燥工艺如下：将聚合物复合纤维D或纤维薄膜E在室温至60℃温度区间内干燥去除其中的溶剂，干燥时间为6-12小时。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种按照如前任意一项所述的一种自发电柔性电磁纤维的制备方法，获得的自发电柔性电磁纤维。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种如前所述的自发电柔性电磁纤维在自发电装置、纤维传感器或可穿戴设备中的应用。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的方法通过将磁性粒子与有机聚合物混合，再通过液态纺丝方法制备出自发电柔性电磁纤维，这种自发电柔性电磁纤维因为含有磁性粒子和导电金属线，在发生形变或位移时会产生感应电动势，因此可以作为一种理想的自发电装置；同时由于这种自发电柔性电磁纤维呈纤维状，具有柔软、可弯曲等特性，同样可以编织到织物上而成为纤维传感器。因此，这种自发电柔性电磁纤维可用于制备各类可穿戴器件作用在人体上，在人进行手臂、膝盖等肢体运动时又能将生物能转化为电能，从而达到自发电的作用。
(2)本发明采用的液态纺丝方法较为成熟，所需设备简单易操作，自发电柔性电磁纤维的组成、结构、性能可以方便的控制，制备过程中得到的聚合物复合材料结构稳定，磁性粒子在聚合物中分散均匀；制备条件温、能耗小、成本低；所得产品的性能及厚度尺寸可调，适用范围广，可以作为柔性传感材料使用，也可用于传感材料、自发电材料、磁性材料等方面。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是实施例1的磁性粒子/聚合物纤维状复合材料的示意图，其中，1-含有钕铁硼磁粉的聚合物复合纤维材料，2-导电金线；
图3是实施例1的磁性粒子/聚合物纤维状复合材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的自发电柔性电磁纤维制备方法主要是通过将磁性粒子与有机聚合物混合，再通过纺丝方法制备出纤维状复合材料。具有电磁感应效应的磁性粒子作为功能性组分，这种复合材料因为含有磁性粒子和导电金属线，在发生形变或位移时会产生感应电动势，因此可以作为一种理想的自发电装置；同时由于这种复合材料呈纤维状，具有柔软、可弯曲等特性，同样可以编织到织物上而成为纤维传感器。因此，这种纤维状复合材料可用于制备各类可穿戴器件作用在人体上，在人进行手臂、膝盖等肢体运动时又能将生物能转化为电能，从而达到自发电的作用。
具体地，本发明的一种自发电柔性电磁纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有电磁感应效应的磁性粒子加入到液态有机高分子聚合物中，形成混合物A；
(2)将步骤(1)得到的混合物A充分搅拌形成均匀的混合液B；其中，混合液B中液态有机高分子聚合物的质量百分数浓度为30％～90％，磁性粒子的质量百分数浓度为10％～70％；
(3)将无水乙醇加入到培养皿中，作为分散液C；
(4)将步骤(2)得到的混合液B加入到分散液C中进行分散，得到掺杂有磁性粒子的聚合物复合纤维D或纤维薄膜E；
(5)将步骤(4)得到的聚合物复合纤维D或纤维薄膜E进行干燥去除溶剂，然后与导电金属线缠绕编织组成织物，得到自发电柔性电磁纤维F。
优选地，步骤(1)中，液态有机高分子聚合物包括苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(以下简称为PBAT)中的任意一种，或者其中两者以上的混合物。
优选地，步骤(1)中，具有电磁感应效应的磁性粒子为无机物磁粉。
优选地，所述无机物磁粉包括钕铁硼磁粉、钕镍钴磁粉、氧化铁磁粉、二氧化铬磁粉、钴-氧化铁磁粉、金属磁粉中的任意一种，或者其中两者以上的混合物。
优选地，步骤(2)中搅拌温度为30-90℃，搅拌速度为50-200转/分钟，搅拌时间为1-5小时。
优选地，步骤(5)中的干燥工艺如下：将聚合物复合纤维D或纤维薄膜E在室温至60℃温度区间内干燥去除其中的溶剂，干燥时间为6-12小时。
下面结合几个具体的实施例，来对本发明的上述制备方法进行更为详细的介绍。
【实施例1】
在烧杯中加入10克PBAT，形成均一的液态聚合物；将10克钕铁硼磁粉加入到液态聚合物中，50℃磁力搅拌1小时后，得到均一的混合液；将无水乙醇加入到培养皿中，并使加入的无水乙醇刚好铺满整个培养皿，形成分散液；将均一的混合液加入到注射针管内，缓慢挤出到分散液中，得到纤维状聚合物；将纤维状聚合物放入烘箱中，在60℃下烘干12小时，挥发掉无水乙醇，即可得到含有钕铁硼磁粉的聚合物复合纤维材料1；将含有钕铁硼磁粉的聚合物复合纤维材料1截取5厘米，与导电金线2缠绕编织，形成可自发电功能的电磁纤维材料，如图2及图3所示。将该纤维材料放入拉伸试验仪上，在30mm/s的速率下做50％形变拉伸，可得到约2微伏的感应电动势。
【实施例2】
在烧杯中加入10克PBAT，形成均一的液态聚合物；将15克钕铁硼磁粉加入到液态聚合物中，50℃磁力搅拌1小时后，得到均一的混合液；将无水乙醇加入到培养皿中，并使加入的无水乙醇刚好铺满整个培养皿，形成分散液；将均一的混合液加入到注射针管内，缓慢挤出到分散液中，得到纤维状聚合物；将纤维状聚合物放入烘箱中，在60℃下烘干12小时，挥发掉无水乙醇，即可得到含有钕铁硼磁粉的聚合物复合纤维材料。将含有钕铁硼磁粉的聚合物复合纤维材料截取5厘米，与导电金线缠绕编织，形成可自发电功能的电磁纤维材料。将该纤维材料放入拉伸试验仪上，在40mm/s的速率下做50％形变拉伸，可得到约3微伏的感应电动势。
【实施例3】
在烧杯中加入10克PBAT，形成均一的液态聚合物；将23克钕铁硼磁粉加入到液态聚合物中，50℃磁力搅拌1小时后，得到均一的混合液；将无水乙醇加入到培养皿中，并使加入的无水乙醇刚好铺满整个培养皿，形成分散液；将均一的混合液加入到注射针管内，缓慢挤出到分散液中，得到纤维状聚合物；将纤维状聚合物放入烘箱中，在60℃下烘干12小时，挥发掉无水乙醇，即可得到含有钕铁硼磁粉的聚合物复合纤维材料。将含有钕铁硼磁粉的聚合物复合纤维材料截取5厘米，与导电金线缠绕编织，形成可自发电功能的电磁纤维材料。将该纤维材料放入拉伸试验仪上，在40mm/s的速率下做50％形变拉伸，可得到约3微伏的感应电动势。
【实施例4】
在烧杯中加入10克PBAT，形成均一的液态聚合物；将23克钕铁硼磁粉加入到液态聚合物中，50℃磁力搅拌1小时后，得到均一的混合液；将无水乙醇加入到培养皿中，并使加入的无水乙醇刚好铺满整个培养皿，形成分散液；将均一的混合液加入到注射针管内，缓慢挤出到分散液中，得到纤维状聚合物；将纤维状聚合物放入烘箱中，在60℃下烘干12小时，挥发掉无水乙醇，即可得到含有钕铁硼磁粉的聚合物复合纤维材料。将含有钕铁硼磁粉的聚合物复合纤维材料截取5厘米，与导电金线缠绕编织，形成可自发电功能的电磁纤维材料。将该纤维材料放入拉伸试验仪上，在50mm/s的速率下做50％形变拉伸，可得到约4微伏的感应电动势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自发电柔性电磁纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将具有电磁感应效应的磁性粒子加入到液态有机高分子聚合物中，形成混合物A，其中，液态有机高分子聚合物包括苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯中的任意一种，或者其中两者以上的混合物，具有电磁感应效应的磁性粒子为无机物磁粉，无机物磁粉包括钕铁硼磁粉、钕镍钴磁粉、氧化铁磁粉、二氧化铬磁粉、钴-氧化铁磁粉、金属磁粉中的任意一种，或者其中两者以上的混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物A充分搅拌形成均匀的混合液B；其中，混合液B中液态有机高分子聚合物的质量百分数浓度为30％～90％，磁性粒子的质量百分数浓度为10％～70％；
(3)将无水乙醇加入到培养皿中，作为分散液C；
(4)将步骤(2)得到的混合液B加入到分散液C中进行分散，得到掺杂有磁性粒子的聚合物复合纤维D或纤维薄膜E；
(5)将步骤(4)得到的聚合物复合纤维D或纤维薄膜E进行干燥去除溶剂，然后与导电金属线缠绕编织组成织物，得到自发电柔性电磁纤维F。
2.如权利要求1所述的一种自发电柔性电磁纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中搅拌温度为30-90℃，搅拌速度为50-200转/分钟，搅拌时间为1-5小时。
3.如权利要求1所述的一种自发电柔性电磁纤维的制备方法，其特征在于，步骤(5)中的干燥工艺如下：将聚合物复合纤维D或纤维薄膜E在室温至60℃温度区间内干燥去除其中的溶剂，干燥时间为6-12小时。
4.按照权利要求1～3任意一项所述的一种自发电柔性电磁纤维的制备方法，获得的自发电柔性电磁纤维。
5.如权利要求4所述的自发电柔性电磁纤维在自发电装置、纤维传感器、磁性器件或可穿戴设备中的应用。
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