本發(fā)明屬于摩擦發(fā)電，涉及一種可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗及制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、呼吸作為人體生命活動(dòng)的重要體征，對(duì)于許多疾病的早期診斷具有決定性的意義，如阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征、心臟驟停和心肺衰竭等。然而，傳統(tǒng)的呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備因其笨重的體積、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及外部電源的需求，限制了其便攜性和舒適性，無(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)且便攜的監(jiān)測(cè)需求。

2、近年來(lái)，摩擦電傳感器作為一種新興技術(shù)，因其獨(dú)特的自供電特性、廣泛的材料選擇范圍以及高度的可設(shè)計(jì)性，在呼吸監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。特別是具有一維結(jié)構(gòu)的摩擦電傳感紗，結(jié)合了摩擦電傳感器的自供電性能與紗線的柔性特點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)連續(xù)呼吸監(jiān)測(cè)的理想選擇。

3、盡管摩擦電傳感紗的研究取得了顯著進(jìn)展，但現(xiàn)有技術(shù)仍存在一些關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。首先，當(dāng)前許多雙電極摩擦電傳感紗的設(shè)計(jì)中，支撐層和第二電極層通常采用纖維纏繞的方式構(gòu)建(例如專(zhuān)利申請(qǐng)cn114285319b)。這種結(jié)構(gòu)使得支撐層和第二電極層之間難以形成穩(wěn)定的低接觸電阻界面，從而影響了接觸分離過(guò)程中電荷的有效轉(zhuǎn)移和收集，降低了傳感紗的靈敏度和準(zhǔn)確性。同時(shí)，這種同軸結(jié)構(gòu)在拉伸彈性和柔軟性方面表現(xiàn)不佳，限制了其在日常穿著和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

4、此外，一些研究提出的管狀同軸結(jié)構(gòu)傳感紗(如文獻(xiàn)(scalable?core–spuncoating?yarn-based?triboelectric?nanogenerators?with?hierarchical?structurefor?wearable?energy?harvesting?and?sensing?via?continuous?manufacturing,nanoenergy,2022,91:106672))，盡管在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新，通過(guò)引入空氣間隔來(lái)提高電能輸出，但在兩摩擦層間缺乏有效的支撐結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致在微小應(yīng)變運(yùn)動(dòng)下，兩摩擦電復(fù)合紗線間的接觸變得不可控，進(jìn)而影響了傳感紗的穩(wěn)定性和輸出電能的可靠性。因此，這種傳感紗在重復(fù)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)具有低頻率和小應(yīng)變特點(diǎn)的呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)不佳。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗及制備方法和應(yīng)用。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗，包括可拉伸紗線、絕緣紗線編織網(wǎng)、正摩擦電極紗線編織網(wǎng)；

4、可拉伸紗線包括導(dǎo)電紗線/彈性紗線包覆紗、負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)；導(dǎo)電紗線/彈性紗線包覆紗由彈性紗線(如氨綸、橡膠絲、彈性滌綸等)以及螺旋包纏在其表面的導(dǎo)電紗線(例如鍍銀尼龍絲、鍍銅尼龍絲或芳綸長(zhǎng)絲紗線等)組成；負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)包裹在導(dǎo)電紗線/彈性紗線包覆紗上，由負(fù)摩擦電極紗線構(gòu)成且呈交織堆疊網(wǎng)格狀態(tài)；可拉伸紗線中導(dǎo)電紗線作為接觸分離電荷的傳輸導(dǎo)線；導(dǎo)電紗線螺旋包纏在彈性紗線的表面可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電紗線的拉伸回彈性；在導(dǎo)電紗線/彈性紗線包覆紗的表面編織負(fù)摩擦電極紗線相對(duì)于在導(dǎo)電紗線/彈性紗線包覆紗的表面纏繞負(fù)摩擦電極紗線更有利于獲得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的可拉伸紗線，進(jìn)而有利于產(chǎn)生穩(wěn)定的摩擦電現(xiàn)象；

5、絕緣紗線編織網(wǎng)包裹在可拉伸紗線上，由絕緣紗線構(gòu)成且呈交織堆疊網(wǎng)格狀態(tài)；

6、正摩擦電極紗線編織網(wǎng)包裹在絕緣紗線編織網(wǎng)上，由正摩擦電極紗線構(gòu)成且呈交織堆疊網(wǎng)格狀態(tài)；

7、無(wú)外力作用時(shí)，正摩擦電極紗線編織網(wǎng)與負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)不接觸；受拉伸或彎曲作用時(shí)，正摩擦電極紗線編織網(wǎng)與負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)通過(guò)絕緣紗線編織網(wǎng)上的孔洞接觸；具體原理為：當(dāng)摩擦電傳感紗被拉伸時(shí)，交織彎曲和包纏螺旋形態(tài)紗線伸直，摩擦電傳感紗被拉伸變細(xì)，使正摩擦電極紗線編織網(wǎng)擠壓負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)，由于可拉伸紗線比絕緣紗線的壓縮柔軟性高，則在拉伸初始階段更多為相對(duì)硬的絕緣紗線編織網(wǎng)擠壓負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)使其局部凸起穿過(guò)絕緣紗線編織網(wǎng)，隨著拉伸程度增加，相對(duì)硬的絕緣紗線編織網(wǎng)成為支撐網(wǎng)，正摩擦電極紗線編織網(wǎng)將相應(yīng)有網(wǎng)格產(chǎn)生局部凸起，兩種效應(yīng)的綜合效應(yīng)使摩擦電傳感紗在拉伸/回復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生顯著的接觸分離行為而得到高的摩擦電現(xiàn)象；同理，在壓縮過(guò)程中，相對(duì)硬的絕緣紗線編織網(wǎng)同時(shí)發(fā)揮支撐和擠壓作用，使正摩擦電極紗線編織網(wǎng)和負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)在絕緣紗線編織網(wǎng)的作用下局部凸起而發(fā)生接觸，在壓縮回復(fù)時(shí)發(fā)生分離，從而產(chǎn)生明顯的摩擦電現(xiàn)象；正是因?yàn)榇耍?dāng)可拉伸紗線、正摩擦電極紗線編織網(wǎng)的材料及結(jié)構(gòu)選擇確定后，通過(guò)改變絕緣紗線編織網(wǎng)的材料規(guī)格和編織參數(shù)可調(diào)控摩擦電隨拉伸或壓縮回復(fù)過(guò)程的響應(yīng)程度。

8、作為優(yōu)選的技術(shù)方案：

9、如上所述的一種可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗，彈性紗線的彈性伸長(zhǎng)超過(guò)200％，直徑為1120d；導(dǎo)電紗線的線電阻為6ω/cm，直徑為70d，導(dǎo)電紗線的包纏捻度為1000捻/米；負(fù)摩擦電極紗線為ptfe復(fù)絲，直徑為400d；負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)的厚度為0.35mm，編織角為50°，編織結(jié)構(gòu)類(lèi)型為平紋編織。

10、可拉伸紗線的制備步驟如下：

11、(a)采用包纏機(jī)將導(dǎo)電紗線螺旋包纏到彈性紗線表面，得到導(dǎo)電紗線/彈性紗線包覆紗；

12、(b)對(duì)導(dǎo)電紗線/彈性紗線包覆紗進(jìn)行預(yù)拉伸(預(yù)拉伸比為1:2)后，使用高速編織機(jī)將負(fù)摩擦電極紗線編織到導(dǎo)電紗線/彈性紗線包覆紗的表面，經(jīng)下機(jī)回復(fù)在導(dǎo)電紗線/彈性紗線包覆紗的表面形成負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)，即得可拉伸紗線。

13、如上所述的一種可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗，絕緣紗線為棉紗(24tex，中國(guó)山東澤宇紡織有限公司)、滌綸單絲(25.4tex，中山市和瑞興纖維科技有限公司)或尼龍單絲(9.4tex、23.4tex或40tex，廣東易志服裝配件有限公司)；絕緣紗線編織網(wǎng)的厚度為0.12-0.61mm，編織角為25-55°，編織結(jié)構(gòu)類(lèi)型為平紋編織。

14、如上所述的一種可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗，正摩擦電極紗線由鍍銀尼龍絲以及螺旋包纏在其表面的尼龍66膨體紗組成；

15、鍍銀尼龍絲的規(guī)格為70d/24f(廠商為濟(jì)南裕摩科技貿(mào)易有限公司)；尼龍66膨體紗的規(guī)格為100d/34f×2(廠商為諸暨市蔓越化纖廠)，尼龍66膨體紗的包纏捻度為2000-3200捻/米，尼龍66膨體紗的包纏捻度可調(diào)控正摩擦電極紗線的性能；

16、正摩擦電極紗線的制備過(guò)程為：用電腦包纏機(jī)(hkv141a(ii)-32型，浙江精工集成科技股份有限公司)將尼龍膨體紗包纏在鍍銀尼龍絲表面，即得正摩擦電極紗線；

17、正摩擦電極紗線編織網(wǎng)的厚度為0.19-0.22mm，編織角為25-35°，編織結(jié)構(gòu)類(lèi)型為平紋編織。

18、如上所述的一種可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗，可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗的彈性伸長(zhǎng)超過(guò)30％，彈性伸長(zhǎng)回復(fù)率超過(guò)88％，有效應(yīng)變響應(yīng)線性擬合度超過(guò)0.982，對(duì)人體呼吸監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度超過(guò)99.2％(相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)至少提升了5％)，具有對(duì)往復(fù)的拉伸和彎曲兩種變形模式敏感的特性。

19、本發(fā)明還提供了制備如上任一項(xiàng)所述的一種可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗的方法，包括以下步驟：

20、(1)對(duì)可拉伸紗線進(jìn)行預(yù)拉伸(預(yù)拉伸的目的是確保最后摩擦電傳感紗具有良好的拉伸性，避免產(chǎn)生成型外觀無(wú)扭曲、直徑不勻等不良形態(tài))后，通過(guò)高速編織機(jī)(110-12×1型，徐州七星機(jī)械有限公司)在可拉伸紗線的表面編織絕緣紗，經(jīng)下機(jī)回復(fù)在可拉伸紗線的表面形成絕緣紗線編織網(wǎng)，得到編織復(fù)合紗線；

21、(2)對(duì)編織復(fù)合紗線進(jìn)行預(yù)拉伸后，通過(guò)高速編織機(jī)(110-32×1型，徐州七星機(jī)械有限公司)在編織復(fù)合紗線的表面編織正摩擦電極紗線，經(jīng)下機(jī)回復(fù)在編織復(fù)合紗線的表面形成正摩擦電極紗線編織網(wǎng)，即得可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗。

22、作為優(yōu)選的技術(shù)方案：

23、如上所述的方法，步驟(1)中，預(yù)拉伸比為1:1.7，預(yù)拉伸比如此設(shè)置是因?yàn)榭衫旒喚€在72％拉伸范圍內(nèi)具有100％拉伸回彈率；絕緣紗的根數(shù)為6-12根；步驟(2)中，預(yù)拉伸比不超過(guò)編織復(fù)合紗線的彈性伸長(zhǎng)恢復(fù)率(≤72％)，否則會(huì)影響可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗的使用穩(wěn)定性；正摩擦電極紗線的根數(shù)為12-32根。

24、本發(fā)明還提供了如上任一項(xiàng)所述的一種可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗的應(yīng)用，用于人體呼吸監(jiān)測(cè)。

25、發(fā)明原理：

26、下面以往復(fù)拉伸運(yùn)動(dòng)為例說(shuō)明本發(fā)明的可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗的工作原理?？衫焱S雙電極摩擦電傳感紗在拉伸回復(fù)過(guò)程中的截面變化如圖4(a)所示。正摩擦電極紗線編織網(wǎng)在張力作用下向內(nèi)壓縮，推動(dòng)編織結(jié)構(gòu)松散的正摩擦電極紗線編織網(wǎng)通過(guò)絕緣紗線編織網(wǎng)的網(wǎng)孔與負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)接觸。為便于理解往復(fù)拉伸運(yùn)動(dòng)中的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，拉伸回復(fù)循環(huán)被簡(jiǎn)化為兩摩擦電極紗線(即正摩擦電極紗線與負(fù)摩擦電極紗線)之間的接觸分離過(guò)程，如圖4(b)所示。當(dāng)可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗被拉伸時(shí)，正摩擦電極紗線編織網(wǎng)通過(guò)絕緣紗線編織網(wǎng)的網(wǎng)孔與負(fù)摩擦電極紗線編織網(wǎng)接觸，見(jiàn)圖4(b-i)，此時(shí)兩摩擦電極上的感應(yīng)靜電荷完全平衡。當(dāng)可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗逐漸恢復(fù)時(shí)，見(jiàn)圖4(b-ii)，正摩擦電極紗線編織網(wǎng)由于內(nèi)層彈性紗線的回彈而緩慢恢復(fù)到其初始狀態(tài)，使得接觸的兩摩擦電極紗線逐漸分離，在靜電感應(yīng)下，正電荷從正摩擦電極紗線轉(zhuǎn)移到負(fù)摩擦電極紗線。由于電荷轉(zhuǎn)移，兩摩擦電極紗線之間的電勢(shì)差將驅(qū)動(dòng)電子反向流動(dòng)，并產(chǎn)生瞬時(shí)電流。當(dāng)正摩擦電極紗線編織網(wǎng)恢復(fù)到其初始狀態(tài)時(shí)，見(jiàn)圖4(b-iii)，兩摩擦電極紗線之間存在最大間隔距離，即絕緣紗線編織網(wǎng)的厚度，并且兩摩擦電極紗線之間的電荷轉(zhuǎn)移達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)再次拉伸時(shí)，兩摩擦電極紗線再次靠近，見(jiàn)圖4(b-iv)，并且積聚在負(fù)摩擦電極紗線上的正電荷將流回正摩擦電極紗線以補(bǔ)償電勢(shì)差，從而產(chǎn)生反向電流，直到兩摩擦電極紗線再次接觸，見(jiàn)圖4(b-i)。因此，在拉伸回復(fù)循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生交流電。

27、本發(fā)明可解決cn114285319b、文獻(xiàn)(scalable?core–spun?coating?yarn-basedtriboelectric?nanogenerators?with?hierarchical?structure?for?wearable?energyharvesting?and?sensing?via?continuous?manufacturing,nano?energy,2022,91:106672)設(shè)計(jì)的摩擦電傳感紗存在的問(wèn)題，因?yàn)楸景l(fā)明增設(shè)了絕緣紗線編織網(wǎng)，在拉伸初始，絕緣紗線編織網(wǎng)在物理上完全分開(kāi)兩摩擦電極紗線，即圖4(b-iv)；如果沒(méi)有本發(fā)明的絕緣紗線編織網(wǎng)，在拉伸未開(kāi)始前，則或多或少呈現(xiàn)圖4(b-i)狀態(tài)，導(dǎo)致接觸分離過(guò)程中有效接觸面積變化范圍比本發(fā)明窄。其次，為了穿過(guò)絕緣紗線編織網(wǎng)，兩摩擦電極紗線的彎曲程度超過(guò)沒(méi)有絕緣紗線編織網(wǎng)的情況，以致在應(yīng)用過(guò)程中接觸-分離更易彈性回復(fù)。

28、有益效果：

29、本發(fā)明制得的可拉伸同軸雙電極摩擦電傳感紗具有良好的拉伸彈性和柔軟性，適于監(jiān)測(cè)具有低頻率和小應(yīng)變特點(diǎn)的呼吸運(yùn)動(dòng)。