借助气流发电织物及其制备方法与应用转让专利
申请号 : CN202010303505.0
文献号 : CN111636131B
文献日 : 2021-11-05
发明人 : 苏彬 , 夏治刚 , 杜卓林 , 刘佳鑫 , 陶光明 , 徐卫林
申请人 : 华中科技大学 , 武汉纺织大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种借助气流发电织物的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:S1,制备柔性导电纱织物:将导电丝包芯纱缠绕预定圈数成柔性导电线圈,形成闭合回路,并将若干个所述柔性导电线圈串联缝制在织物基体上,得到预定尺寸的柔性导电纱织物,形成线圈导体;
S2,制备柔性磁性纱织物:
S21,制备柔性纤维条带S1:将面密度为2~100克/平方米的无纺布柔性面材分切成线密度为10~800克/千米的柔性纤维条带S1;
S22,制备复合纤维条带S2’:对磁粉进行去磁化处理,将宽度为10~20mm、线密度为10~1000克/千米的纤维条带S2放入反应容器内,通过原位聚合导电聚合物,在所述纤维条带上生长导电聚合物,牵拉、烘干干燥处理后,得到带有导电聚合物的复合纤维条带;将所述复合纤维条带浸入磁性粉体粒径为10~1000nm、磁性粉体质量浓度为1~15%的分散液中进行浸轧处理,使得分散液中的所述磁性粉体挤压在原位聚合后的所述复合纤维条带的结构面中,烘干干燥,使得所述纤维条带的结构面中生长所述导电聚合物并在所述导电聚合物外层覆盖有所述磁性粉体,得到复合纤维条带S2’;
S23,制备磁性纱:将一对柔性纤维条带S1的筒管卷装和一个复合纤维条带S2’的筒管卷装分别放置在改进的翼锭粗纱装置(100)上增设的两组退绕装置上,一对柔性纤维条带S1的筒管卷装分别位于复合纤维条带S2’的筒管卷装的两侧,两根柔性纤维条带S1与一根复合纤维条带S2’在前钳口处相互重合,且复合纤维条带S2’位于两根柔性纤维条带S1的中部,形成夹心状的复合条带,复合条带从所述前钳口输出,输出后的复合条带受到翼锭加捻和卷绕牵拉,加捻作用力立体扭转所述复合条带,增强所述柔性纤维条带S1与中间的所述复合纤维条带S2’之间的包缠抱合,牵拉作用力牵引所述复合条带内部纤维及复合纤维条带S2’长度方向伸展、复合纤维条带S2’在复合条带中沿径向被均匀包缠包覆,经加捻牵伸后的复合条带形成细度为40~2000特克斯的复合纱条,复合纱条依次经翼锭粗纱机的旋转翼锭的锭翼顶孔(7)、侧孔(8)、空心臂(11)、压掌杆(12)、压掌叶(10),最终卷绕到芯纱筒管(13)上,得到呈芯‑鞘结构的磁性纱;
S24,制备柔性磁性纱织物:以步骤S23制备的所述磁性纱作为纬纱,高强耐磨纱线为经纱织造得到预定尺寸的织物,并进行充磁处理,得到磁场强度为0.1~0.8T的柔性磁性纱织物;
S3,制备借助气流发电织物:以步骤S1制备的所述柔性导电纱织物与步骤S2制备的所述柔性磁性纱织物中的一者为面层织物,另一者为里层织物,并在所述面层织物上设置至少一个开口;将所述面层织物与所述里层织物的边缘相互固定连接;将储能单元与所述柔性导电纱织物电性连接,制备得到借助气流发电织物;外部气流能够通过所述开口进入双层结构中间的气流空间进行流通,以带动面层织物产生形变切割磁感线,产生电磁感应电流,以将机械能转化为电能,然后将电能储存在所述储能单元中,实现发电功能。
2.根据权利要求1所述的借助气流发电织物的制备方法,其特征在于:在步骤S23中,所述磁性纱采用改进的翼锭粗纱装置(100)进行制备;所述改进的翼锭粗纱装置(100)包括翼锭粗纱机本体和增设的两组退绕装置;
所述翼锭粗纱机本体包括相邻设置并啮合形成前钳口结构的前罗拉(6)和前胶辊(5),以及顺次设置的锭翼顶孔(7)、侧孔(8)、空心臂(11)、压掌杆(12)、压掌叶(10)、筒管卷装(9)和芯纱筒管(13);
所述退绕装置增设于所述前钳口的后方,由退绕轴、静电喷丝装置(1)、与所述静电喷丝装置(1)对应设置的静电收集板(2)、对称设置在所述前钳口上、下两侧的引布辊(3)以及芯条导辊(4)构成;所述静电喷丝装置(1)与所述静电收集板(2)之间形成静电喷丝区,所述静电喷丝区的后方设置有退绕辊,所述静电喷丝区的前方设置有所述引布辊(3)。
3.一种根据权利要求1‑2任一项所述的制备方法制备得到的借助气流发电织物的应用,其特征在于:所述借助气流发电织物在自供能可穿戴服装、军工服装、野外科考服装、运动探险服装、消防服装、医疗防护服装中的应用。
说明书 :
借助气流发电织物及其制备方法与应用
技术领域
背景技术
之一就是对电源和续航的要求。可穿戴器件产品大多需要依靠从外部供电或与储能装置等
进行配套工作才能正常使用,因此大规模应用受到一定的限制。从长远来看,发电自供能的
柔性可穿戴器件是穿戴式技术未来的发展趋势。
人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路,具有重要的实用意义。目前主流的无线充电设备
就是利用电磁感应原理制得,并且已经开始广泛应用。电磁发电装置主要是利用电磁感应
原理,将人体活动(如手臂的摆动、膝盖的运动等)中产生的机械能收集起来,并通过磁体和
线圈转化为电能,从而实现发电的目的。因此,如果能将电磁发电原理应用在可穿戴器件发
电领域,那将具备巨大的应用前景。
磁铁与衣袖连接,第二磁铁与衣身连接,第一磁铁面向线圈的磁极与第二磁铁面向线圈的
磁极相反,线圈设置在第一磁铁与第二磁铁之间,当摆动胳膊时,线圈切割第一磁铁与第二
磁铁形成的磁感线,第一磁铁与第二磁铁之间的磁通量改变从而产生电流。但是该服装柔
性差,且质量重,穿戴体验差,舒适性能差,在实际应用中受到限制。
元,以及与至少一个电磁感应单元电连接的储能单元;其中,磁体单元和电磁感应单元分别
设置为可穿戴于动物体的不同部位,在动物体运动时通过改变磁体单元和电磁感应单元的
相对位置,使穿过电磁感应单元的磁通量发生变化产生感应电流;储能单元用于将电磁感
应单元所产生的感应电流转换为电能储存。但是该方法的不足之处在于:电磁感应单元线
圈和磁体单元需要粘合或者粘贴到衣服上,会导致衣服的柔性差,且质量较重,不能很好地
满足柔性可穿戴服装的要求。
料,并将电磁发电装置顺利应用在可穿戴器件上。从而解决目前可穿戴器件需要依靠从外
部供电或与储能装置等配套工作才能正常使用的缺陷,有助于其朝着轻量化、便捷化及智
能化等方向进一步发展。
发明内容
间的气流空间,且所述面层织物上设置有至少一个开口;所述面层织物与所述里层织物中
的一层为柔性磁性纱织物,另一层为柔性导电纱织物;
性纬纱交织而成;所述柔性磁性纬纱呈芯‑鞘结构,包括磁性纱芯和紧密缠绕在所述磁性纱
芯外周的纱鞘层;所述磁性纱芯由复合纤维条带包裹连续、均匀、线性排布的磁性粉体构
成,所述纱鞘层由耐磨、高强、柔软的纤维紧密包缠构成;
存在设置于所述借助气流发电织物上的储能单元中,实现发电功能。
的一种或多种。
纱织物,形成线圈导体;
条带上生长导电聚合物,牵拉、烘干干燥处理后,得到带有导电聚合物的复合纤维条带;将
所述复合纤维条带浸入磁性粉体粒径为10~1000nm、磁性粉体质量浓度为1~15%的分散
液中进行浸轧处理,使得分散液中的所述磁性粉体挤压在原位聚合后的所述复合纤维条带
的结构面中,烘干干燥,使得所述纤维条带的结构面中生长所述导电聚合物并在所述导电
聚合物外层覆盖有所述磁性粉体,得到复合纤维条带S2’;
的筒管卷装分别位于复合纤维条带S2’的筒管卷装的两侧,两根柔性纤维条带S1与一根复
合纤维条带S2’在前钳口处相互重合,且复合纤维条带S2’位于两根柔性纤维条带S1的中
部,形成夹心状的复合条带,复合条带从所述前钳口输出,输出后的复合条带受到翼锭加捻
和卷绕牵拉,加捻作用力立体扭转所述复合条带,增强所述柔性纤维条带S1与中间的所述
复合纤维条带S2’之间的包缠抱合,牵拉作用力牵引所述复合条带内部纤维及复合纤维条
带S2’长度方向伸展、复合纤维条带S2’在复合条带中沿径向被均匀包缠包覆,经加捻牵伸
后的复合条带形成细度为40~2000特克斯的复合纱条,复合纱条依次经翼锭粗纱机的旋转
翼锭的锭翼顶孔、侧孔、空心臂、压掌杆、压掌叶,最终卷绕到芯纱筒管上,得到呈芯‑鞘结构
的磁性纱;
纱织物;
置至少一个开口;将所述面层织物与所述里层织物的边缘相互固定连接;将储能单元与所
述柔性导电纱织物电性连接,制备得到借助气流发电织物;外部气流能够通过所述开口进
入双层结构中间的气流空间进行流通,以带动面层织物产生形变切割磁感线,产生电磁感
应电流,以将机械能转化为电能,然后将电能储存在所述储能单元中,实现发电功能。
构成;所述静电喷丝装置与所述静电收集板之间形成静电喷丝区,所述静电喷丝区的后方
设置有退绕辊,所述静电喷丝区的前方设置有所述引布辊。
制备得到柔性导电纱织物;利用电磁感应原理,将上述两者设置为发电织物的里层织物和
面层织物的双层结构,通过在面层织物上设置供气流进入双层结构之间的开口,通过气流
波动带动面层织物发生形变波动,切割磁感线,由此产生感应电流,本发明借助气流波动和
利用电磁感应原理联合实现织物发电的功能,将机械能转换为电能,有效解决了目前可穿
戴器件需要依靠从外部供电或与储能装置等配套工作才能正常使用的缺陷,有助于其朝着
柔性化、轻量化、便捷化及智能化等方向进一步发展。
度,且结构稳定性能可控,本发明制备出的导电纱织物具备优异的柔性和机械性能,两者相
互配合,实现织物发电功能。
附图说明
杆;13、芯纱筒管;
具体实施方式
领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例,都属于本发
明所保护的范围。
管13;
条导辊4构成;所述静电喷丝装置1与所述静电收集板2之间形成静电喷丝区,所述静电喷丝
区的后方设置有退绕辊,所述静电喷丝区的前方设置有所述引布辊3。
纱织物,形成线圈导体;
条带上生长导电聚合物,牵拉、烘干干燥处理后,得到带有导电聚合物的复合纤维条带;将
所述复合纤维条带浸入磁性粉体粒径为10~1000nm、磁性粉体质量浓度为1~15%的分散
液中进行浸轧处理,使得分散液中的所述磁性粉体挤压在原位聚合后的所述复合纤维条带
的结构面中,烘干干燥,使得所述纤维条带的结构面中生长所述导电聚合物并在所述导电
聚合物外层覆盖有所述磁性粉体,得到复合纤维条带S2’;
性纤维条带S1的筒管卷装分别位于复合纤维条带S2’的筒管卷装的两侧,两根柔性纤维条
带S1与一根复合纤维条带S2’在所述前钳口处相互重合,且复合纤维条带S2’位于两根柔性
纤维条带S1的中部,形成夹心状的复合条带,复合条带从所述前钳口输出,输出后的复合条
带受到翼锭加捻和卷绕牵拉,加捻作用力立体扭转所述复合条带,增强所述柔性纤维条带
S1与中间的所述复合纤维条带S2’之间的包缠抱合,牵拉作用力牵引所述复合条带内部纤
维及复合纤维条带S2’长度方向伸展、复合纤维条带S2’在复合条带中沿径向被均匀包缠包
覆,经加捻牵伸后的复合条带形成细度为40~2000特克斯的复合纱条,复合纱条依次经翼
锭粗纱机的旋转翼锭的锭翼顶孔7、侧孔8、空心臂11、压掌杆12、压掌叶10,最终卷绕到芯纱
筒管13上,得到呈芯‑鞘结构的磁性纱;
纱织物。
间可以为内腔提供中心强度为3特斯拉竖直向上的瞬间磁场。
到磁饱和强度,充磁后的剩磁磁场强度与样品所含的钕铁硼磁粉含量正相关。
置至少一个开口;将所述面层织物与所述里层织物的边缘相互固定连接;将储能单元与所
述柔性导电纱织物电性连接,制备得到借助气流发电织物;外部气流能够通过所述开口进
入双层结构中间的气流空间进行流通,以带动面层织物产生形变切割磁感线,产生电磁感
应电流,以将机械能转化为电能,然后将电能储存在所述储能单元中,实现发电功能。
面层柔性导电纱织物,形成线圈导体;所述的导电丝包芯纱内设置有导电长丝,所述导电长
丝为铜丝,所述导电长丝的直径为0.05mm;
导电聚合物,牵拉、烘干干燥处理后,得到带有导电聚合物的复合纤维条带;将所述复合纤
维条带浸入磁性粉体粒径为200nm、磁性粉体质量浓度为10%的分散液中进行浸轧处理,使
得分散液中的所述磁性粉体挤压在原位聚合后的所述复合纤维条带的结构面中,烘干干
燥,使得所述纤维条带的结构面中生长所述导电聚合物并在所述导电聚合物外层覆盖有所
述磁性粉体,得到复合纤维条带S2’;
维条带S1的筒管卷装分别位于复合纤维条带S2’的筒管卷装的两侧,两根柔性纤维条带S1
与一根复合纤维条带S2’在所述前钳口处相互重合,且复合纤维条带S2’位于两根柔性纤维
条带S1的中部,形成夹心状的复合条带,复合条带从所述前钳口输出,输出的线速度为15
米/分钟,输出后的复合条带受到翼锭加捻和卷绕牵拉,加捻作用力立体扭转所述复合条
带,增强所述柔性纤维条带S1与中间的所述复合纤维条带S2’之间的包缠抱合,牵拉作用力
牵引所述复合条带内部纤维及复合纤维条带S2’长度方向伸展、复合纤维条带S2’在复合条
带中沿径向被均匀包缠包覆,经加捻牵伸后的复合条带形成细度为800特克斯的复合纱条,
复合纱条依次经翼锭粗纱机的旋转翼锭的锭翼顶孔7、侧孔8、空心臂11、压掌杆12、压掌叶
10,最终卷绕到芯纱筒管13上,得到呈芯‑鞘结构的磁性纱;
物电性连接,制备得到借助气流发电织物;里层柔性磁性纱织物位于服装本体前襟的内侧
位置;所述储能单元无线充电装置(图2中未标出)与所述面层柔性导电纱织物电性连接,制
备得到所述借助气流发电织物,如图2所示,其中A为里层柔性磁性纱织物(画虚线轮廓部
分,位于服装本体前襟内侧位置),B为面层柔性导电纱织物(位于服装本体前襟位置)。
层织物产生形变切割磁感线,产生电磁感应电流,以将机械能转化为电能,然后将电能储存
在所述储能单元中,实现发电功能。
E中流出,借助气流流动(箭头C为气流流动方向),实现面层柔性导电纱织物B的飘动,产生
波动变形(如图3所示),使得面层柔性导电纱织物B产生不平行于里层柔性磁性纱织物A的
不规则波动运动,切割磁感线,产生电磁感应效应,以此产生电能,再将电能存储在储能单
元无线充电装置中完成发电和电能存储,使得电子设备能够随身进行无线充电。
者行走过程产生的感应电动势图如图5所示。
导电聚合物,牵拉、烘干干燥处理后,得到带有导电聚合物的复合纤维条带;将所述复合纤
维条带浸入磁性粉体粒径为500nm、磁性粉体质量浓度为15%的分散液中进行浸轧处理,使
得分散液中的所述磁性粉体挤压在原位聚合后的所述复合纤维条带的结构面中,烘干干
燥,使得所述纤维条带的结构面中生长所述导电聚合物并在所述导电聚合物外层覆盖有所
述磁性粉体,得到复合纤维条带S2’;
维条带S1的筒管卷装分别位于复合纤维条带S2’的筒管卷装的两侧,两根柔性纤维条带S1
与一根复合纤维条带S2’在所述前钳口处相互重合,且复合纤维条带S2’位于两根柔性纤维
条带S1的中部,形成夹心状的复合条带,复合条带从所述前钳口输出,输出的线速度为10~
25米/分钟,输出后的复合条带受到翼锭加捻和卷绕牵拉,加捻作用力立体扭转所述复合条
带,增强所述柔性纤维条带S1与中间的所述复合纤维条带S2’之间的包缠抱合,牵拉作用力
牵引所述复合条带内部纤维及复合纤维条带S2’长度方向伸展、复合纤维条带S2’在复合条
带中沿径向被均匀包缠包覆,经加捻牵伸后的复合条带形成细度为1000特克斯的复合纱
条,复合纱条依次经翼锭粗纱机的旋转翼锭的锭翼顶孔7、侧孔8、空心臂11、压掌杆12、压掌
叶10,最终卷绕到芯纱筒管13上,得到呈芯‑鞘结构的磁性纱;
制在所述服装本体的前襟位置上,制备得到面层柔性磁性纱织物;
丝包芯纱内设置有导电长丝,所述导电长丝为铜丝,所述导电长丝的直径为0.02mm;
物电性连接,制备得到借助气流发电织物;里层柔性导电纱织物位于服装本体前襟的内侧
位置;所述储能单元无线充电装置(图4中未标出)与所述里层柔性导电纱织物电性连接,制
备得到所述借助气流发电织物,如图4所示,其中A1为面层柔性磁性纱织物(位于马甲前襟
位置),B1为里层柔性导电纱织物(画虚线轮廓部分,位于马甲前襟内侧位置)。
产生形变切割磁感线,产生电磁感应电流,以将机械能转化为电能,然后将电能储存在所述
储能单元中,实现发电功能。
第二开口E1中流出,借助气流流动(箭头C1为气流流动方向),实现面层柔性磁性纱织物A1
的飘动,产生波动变形,使得面层柔性磁性纱织物A1产生不平行于里层柔性导电纱织物B1
的不规则波动运动,切割磁感线,产生电磁感应效应,以此产生电能,再将电能存储在储能
单元中完成发电和电能存储。
者行走过程产生的感应电动势图如图6所示。
其它若干个开口流出,借助气流的流通,同样能达到带动面层织物形变切割磁感线产生电
能的效果。
丝、金丝中的一种或几种,由此制备出的织物在进行气流波动产生形变动作时,均能产生电
磁感应效应,产生感应电流,实现发电的功能。
气流空间,且面层织物上设置有至少一个开口。其中,面层织物与里层织物中的一者为柔性
磁性纱织物,另一者为柔性导电纱织物。如此设置,外部气流能够通过开口进入双层结构中
间的气流空间进行流通,以带动面层织物产生形变切割磁感线,产生电磁感应电流,实现发
电功能,解决了现有可穿戴器件需要依靠外部供电或与储能装置配套工作才能正常使用的
缺陷,有助于其朝着轻量化、便捷化及智能化等方向发展。本发明提供的制备方法操作简
单,材料的组成、结构和性能可根据实际应用进行调控。
以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同
替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。