一种高电容量的织物及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于纺织技术领域，特别涉及一种高电容量的织物及其制备方法和应用。

背景技术

随着可穿戴设备的广泛普及，人们对于柔性、轻质、高性能的储能器件和传感器的需求将更加强烈。近年来，随着导电高分子原位聚合技术、金属和纤维材料金属化加工技术的飞速发展，纺织品的导体化制备技术日趋成熟。纺织品具有先天性的可穿戴优势，需要研发基于纤维材料的柔性电子器件以满足的可穿戴集成系统的大量需求。

基于纤维材料的电容器是解决柔性储能问题的有效途径之一。通过在纤维及其集合体上进行结构设计，制备出具有较高性能的柔性电容器，就可成为可穿戴集成系统的重要器件。然而，目前的纤维及其集合体电容器，一般采用三明治结构，通过层叠组装成柔性电容器，导致所制备的可穿戴系统舒适度较差。针对这一问题，现有技术报道了利用湿法纺丝技术首先制备出连续的单壁碳纳米管/聚苯胺纳米复合纤维，然后以单壁碳纳米管/聚苯胺纳米复合纤维为电极在其表面涂覆凝胶电解质，最后将两根纤维缠绕形成纤维超级电容器。但是该方法制备工艺复杂、技术难度大，且生产效率不高，不适合工业大量生产。另外，现有技术也报道一种同心圆结构的纤维电容器，采用纺纱工艺，以棉纱为芯纱，由内至外依次包裹第一导电纤维层、第一绝缘层、第二导电纤维层和第二绝缘层。该纤维电容器具有良好的透气性，所制备的纤维电容器适用于大批量生产，但其结构稳定性差，电容量偏小(例如小于0.1nF)，该纤维电容器内外层导电纤维层容易连通而导致电容器失效。

因此，亟需提供一种新的纤维类电容器，不仅制备过程简单，而且结构稳定性好，具有高的电容量。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高电容量的织物及其制备方法和应用。所述织物结构稳定性好，具有高的电容量，电容量不低于0.29nF，甚至可高达5.01nF。所述织物兼具纺织品的柔性和实用性，可应用于可穿戴储能设备中。所述制备方法简单，适合工业大量生产。

本发明的第一方面提供一种高电容量的织物。

具体的，一种高电容量的织物，包括经纱和纬纱；

所述经纱由导电纱线形成的边纱和位于两条边纱之间的介质纱线组成；

所述纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且所述纬纱中的相邻导电纱线不同时与同一条边纱相连通或不相连通。

所述纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且所述纬纱中的相邻导电纱线不同时与同一条边纱相连通或不相连通，是指每相邻的两根导电纱线，其中一根导电纱线与左侧边纱相连通，但不与右侧边纱相邻通，则另一根导电纱线不与左侧边纱相连通，但需要与右侧边纱相连通。所述纬纱中的介质纱线与两侧的边纱相连通。所述织物中纬纱和经纱中的排列使得所述织物呈现出一种叉指结构。

优选的，所述纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且其中的导电纱线与介质纱线的根数比例为1：(1-10)，优选1：(1-5)。即纬纱中的导电纱线和介质纱线可按照根数为1：、1：2、1：3、1：4、1：5等比例间隔排列而成。

优选的，所述导电纱线包括金属丝、金属纤维，以及采用化学镀、磁控溅射技术在常规的合成纤维或天然纤维表面制备的金属化纱线。

进一步优选的，所述导电纱线选自不锈钢短纤混纺纱、镀银纱线。

优选的，所述经纱中的导电纱线与纬纱中的导电纱线可不同或相同。例如所述经纱中的导电纱线为不锈钢短纤混纺纱，纬纱中的导电纱线为镀银纱线，或者经纱和纬纱中的导电纱线均为镀银纱线。

优选的，所述导电纱线的电导率不低于10

优选的，所述介质纱线选自棉纱线、麻纱线、毛纱线、真丝纱线、涤纶纱线、锦纶纱线、晴纶纱线、丙纶纱线、维纶纱线、超高分子量聚乙烯纱线、芳纶纱线、聚酰亚胺纱线、SiC纱线中的至少一种。

优选的，所述边纱的直径为1.5-6mm，优选2-5mm。

优选的，所述介质纱线的直径为0.5-1.8mm，优选0.8-1.3mm。

优选的，所述纬纱中的导电纱线的直径为0.1-0.8mm，优选0.1-0.4mm。

优选的，所述纬纱中的导电纱线和介质纱线的长度均为160-280mm，优选180-250mm。

优选的，出现2次重复结构的织物中，所述经纱中的边纱和介质纱线的长度均为1-10mm，优选1.5-3.0mm。

本发明的第二方面提供一种高电容量的织物的制备方法。

具体的，一种高电容量的织物的制备方法，包括以下步骤：

采用机织方式，在经纱织造过程中，将两根导电纱线作为两根边纱，两根边纱之间排列介质纱线；在纬纱织造过程中，将导电纱线和介质纱线间隔织入，然后将导电纱线一端剪断，使其不同时与两根边纱接触，由此循环织造，制备所述高电容量的织物。

优选的，在纬纱织造过程中，将导电纱线剪断，是指在织造过程中，导电纱线引纬时在边纱附近剪断；或者将导电纱线和介质纱线间隔排列织造完成后，再按照叉指结构将导电纱线逐根剪断并抽出。

本发明的第三方面提供一种高电容量的织物的应用。

一种电容器，包括上述高电容量的织物。根据电容器的容量要求，基于理论计算来设计织物参数，包括导电纱线的直径、间距，以及所需介质纱线的介电常数，再根据所设计的参数进行织造即可制备得到。

优选的，所述电容器为柔性电容器。

上述高电容量的织物在储能领域中的应用。

优选的，所述储能领域包括可穿戴储能设备。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

(1)本发明所述织物，通过导电纱线和介质纱线在经纱和纬纱中的特殊排列方式，形成叉指结构。所述织物结构稳定性好，具有高的电容量，电容量不低于0.29nF，甚至可高达5.01nF。

(2)本发明所述织物可实现电容量的动态可调性，仅需沿所述织物的纬向裁剪即可调整其电容量。

(3)本发明的制备方法简单，适合大批量工业生产。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的织物的结构示意图；

图2为本发明实施例1制备的织物中的1个重复单元结构；

图3为本发明实施例2制备的织物的结构示意图；

图4为本发明实施例2制备的织物中的1个重复单元结构。

具体实施方式

为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。

以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。

实施例1：高电容量的织物的制备

一种高电容量的织物，包括经纱和纬纱；

经纱由导电纱线形成的边纱和位于两条边纱之间的介质纱线组成；

纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且纬纱中的相邻导电纱线不同时与同一条边纱相连通或不相连通。

纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且纬纱中的相邻导电纱线不同时与同一条边纱相连通或不相连通，是指每相邻的两根导电纱线，其中一根导电纱线与左侧边纱相连通，但不与右侧边纱相邻通，则另一根导电纱线不与左侧边纱相连通，但需要与右侧边纱相连通。纬纱中的介质纱线与两侧的边纱相连通。织物中纬纱和经纱中的排列使得织物呈现出一种叉指结构。

纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且其中的导电纱线与介质纱线的根数比例为1：1。

经纱中的导电纱线是细度为94.4tex的纯不锈钢短纤混纺纱，电导率为2.83×10

纬纱中的导电纱线是细度为10.2tex的镀银纱线，电导率为1.36×10

介质纱线为纯棉纱线，其细度为32tex，介电常数为3.52。

织物的经纬密度为280×165根/10cm。

边纱的直径为3mm。

介质纱线的直径为0.97mm。

纬纱中的导电纱线的直径为0.15mm。

纬纱中的导电纱线和介质纱线的长度均为200mm。

在织物(织物由多个重复单元构成)的1个重复单元中，经纱中的边纱和介质纱线的长度均为2.27mm，整个织物中，经纱中的边纱和介质纱线的长度均为200mm。

图1为本发明实施例1制备的织物的结构示意图；图1中的100表示纬纱中的导电纱线，200表示介质纱线，300表示边纱。

图2为本发明实施例1制备的织物中的1个重复单元结构。

一种高电容量的织物的制备方法，包括以下步骤：

采用机织方式，在经纱织造过程中，将两根导电纱线作为两根边纱，两根边纱之间排列介质纱线；在纬纱织造过程中，将导电纱线和介质纱线间隔织入，然后将导电纱线一端剪断，使其不同时与两根边纱接触，由此循环织造，制得高电容量的织物。

采用数字电桥对织物进行电容量测试，电容量测试步骤如下：(1)数字电桥接通电源，开机预热30min；(2)在数字桥上设置电容测试，频率为1kHz；(3)数字电桥两端夹具连接织物的两个电极(即织物的两根边纱)；(4)读取并记录数字电桥上的测试结果。测试结果表明，该织物的电容量达到1.23nF。

实施例2：高电容量的织物的制备

一种高电容量的织物，包括经纱和纬纱；

经纱由导电纱线形成的边纱和位于两条边纱之间的介质纱线组成；

纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且纬纱中的相邻导电纱线不同时与同一条边纱相连通或不相连通。

纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且纬纱中的相邻导电纱线不同时与同一条边纱相连通或不相连通，是指每相邻的两根导电纱线，其中一根导电纱线与左侧边纱相连通，但不与右侧边纱相邻通，则另一根导电纱线不与左侧边纱相连通，但需要与右侧边纱相连通。纬纱中的介质纱线与两侧的边纱相连通。织物中纬纱和经纱中的排列使得织物呈现出一种叉指结构。

纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且其中的导电纱线与介质纱线的根数比例为1：3。

经纱中的导电纱线是细度为94.4tex的纯不锈钢短纤混纺纱，电导率为2.83×10

纬纱中的导电纱线是细度为10.2tex的镀银纱线，电导率为1.36×10

介质纱线为纯棉纱线，其细度为32tex，介电常数为3.52。

织物的经纬密度为280×165根/10cm。

边纱的直径为3mm。

介质纱线的直径为0.97mm。

纬纱中的导电纱线的直径为0.15mm。

纬纱中的导电纱线和介质纱线的长度均为200mm。

在织物(织物由多个重复单元构成)的1个重复单元中，经纱中的边纱和介质纱线的长度均为3.21mm，整个织物中，经纱中的边纱和介质纱线的长度均为200mm。

图3为本发明实施例2制备的织物的结构示意图；图3中的100’表示纬纱中的导电纱线，200’表示介质纱线，300’表示边纱。

图4为本发明实施例2制备的织物中的1个重复单元结构。

一种高电容量的织物的制备方法，包括以下步骤：

采用机织方式，在经纱织造过程中，将两根导电纱线作为两根边纱，两根边纱之间排列介质纱线；在纬纱织造过程中，将导电纱线和介质纱线间隔织入，然后将导电纱线一端剪断，使其不同时与两根边纱接触，由此循环织造，制得高电容量的织物。

采用数字电桥对织物进行电容量测试，电容量测试步骤如下：(1)数字电桥接通电源，开机预热30min；(2)在数字桥上设置电容测试，频率为1kHz；(3)数字电桥两端夹具连接织物的两个电极(即织物的两根边纱)；(4)读取并记录数字电桥上的测试结果。测试结果表明，该织物的电容量达到0.29nF。

实施例3：高电容量的织物的制备

一种高电容量的织物，包括经纱和纬纱；

经纱由导电纱线形成的边纱和位于两条边纱之间的介质纱线组成；

纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且纬纱中的相邻导电纱线不同时与同一条边纱相连通或不相连通。

纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且纬纱中的相邻导电纱线不同时与同一条边纱相连通或不相连通，是指每相邻的两根导电纱线，其中一根导电纱线与左侧边纱相连通，但不与右侧边纱相邻通，则另一根导电纱线不与左侧边纱相连通，但需要与右侧边纱相连通。纬纱中的介质纱线与两侧的边纱相连通。织物中纬纱和经纱中的排列使得织物呈现出一种叉指结构。

纬纱由导电纱线和介质纱线间隔排列而成，且其中的导电纱线与介质纱线的根数比例为1：1。

经纱中的导电纱线是细度为10.2tex的镀银纱线，电导率为1.36×10

纬纱中的导电纱线是细度为10.2tex的镀银纱线，电导率为1.36×10

介质纱线为碳化硅纤维纱线，介电常数为9.72。

织物的经纬密度为280×200根/10cm。

边纱的直径为3mm。

介质纱线的直径为0.5mm。

纬纱中的导电纱线的直径为0.15mm。

纬纱中的导电纱线和介质纱线的长度均为200mm。

在织物(织物由多个重复单元构成)的1个重复单元中，经纱中的边纱和介质纱线的长度均为1.3mm，整个织物中，经纱中的边纱和介质纱线的长度均为200mm。

一种高电容量的织物的制备方法，包括以下步骤：

采用机织方式，在经纱织造过程中，将两根导电纱线作为两根边纱，两根边纱之间排列介质纱线；在纬纱织造过程中，将导电纱线和介质纱线间隔织入，然后将导电纱线一端剪断，使其不同时与两根边纱接触，由此循环织造，制得高电容量的织物。

采用数字电桥对织物进行电容量测试，电容量测试步骤如下：(1)数字电桥接通电源，开机预热30min；(2)在数字桥上设置电容测试，频率为1kHz；(3)数字电桥两端夹具连接织物的两个电极(即织物的两根边纱)；(4)读取并记录数字电桥上的测试结果。测试结果表明，该织物的电容量达到5.01nF。

对比例1

与实施例1相比，对比例1的区别仅在于织物中，纬纱中的导电纱线与左右两侧的边纱都相连通，导致织物短路，无法测得电容量。