磁电式能量收集织物及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性传感织物技术领域，尤其涉及一种磁电式能量收集织物及其制备方法。

背景技术

目前，柔性传感技术得到快速发展，逐步应用于个人健康监测、人机交互和软体机器人等领域。但该技术需要配套外部供能/储能器件(如电池)，限制了其使用范围、使用寿命和轻量化等方向的发展。因此，柔性传感设备的自供能十分关键。

电磁感应现象是指穿过闭合回路的磁通量发生变化而产生感应电动势的现象。该现象首次被法拉第发现，以电磁感应为原理的自发电装置开始陆续面世，并逐渐成为一种重要的能量收集装置。然而，目前现有的这类自发电装置中，导电线圈和磁体基本为硬质材料，且质量较重，不具有柔性及弹性，因此难以与柔性传感器件相结合，进行相关方向的应用。

现有技术中，公开号为CN 110184731 B的发明专利公开了一种具有负压阻效应的织物传感器及其应用，选用弹性针织基布为基材，浸渍于含石墨烯导电材料分散液中，通过搅动和按压，增加浸渍率，取出烘干，重复上述操作1次至多次；然后经水合肼还原，清洗烘干，获得经涂层复合的织物传感器；在织物上设置至少两个电极，通过导电银胶、铝箔、铜导线等与外接电流源和电压测量仪器连接的，通过其对拉伸、刺压，扭转，摆动等应变的压阻效应的表征，实现具有负压阻效应的应变传感。该织物传感器工艺简单，易操作，生产成本低，功能稳定，然而，该装置在应用过程中需要使用外接电流源，对其传感使用有一定限制。

有鉴于此，有必要设计一种磁电式能量收集织物及其制备方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁电式能量收集织物及其制备方法。通过使用弹性聚合物和磁性粒子制备得到磁性纤维，并对磁性纤维进行磁化处理，再以导电纤维为经纱，磁性纤维为纬纱进行编织，从而实现电磁感应与柔性传感器件的结合，得到可以自供能的用于人体动作传感以及关节运动、心跳、脉搏等生理信号监测的磁电式能量收集织物。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种磁电式能量收集织物的制备方法，包括如下步骤：

S1、将经过预处理的弹性聚合物与磁性粒子以一定比例混合后，通过塑形容器挤出，经定型、磁化得到磁性纤维；

S2、以导电纤维为经纱、步骤S1制备得到的所述磁性纤维为纬纱，编织得到磁电式能量收集织物。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述磁化操作为将定型后的待磁化纤维在1500-3000V电压下磁化1～2000ms，得到所述磁性纤维。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述弹性聚合物与所述磁性粒子的质量比为80:20～20:80。

作为本发明的进一步改进，所述弹性聚合物包括聚乙烯醇、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基乙烯基硅氧烷、聚丙乙烯、聚烯烃和苯乙烯聚合物中任意一种。

作为本发明的进一步改进，所述磁性粒子包括钕铁硼磁粉、钕镍钴磁粉、氧化铁磁粉、二氧化铬磁粉、钴-氧化铁磁粉中任意一种。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述导电纤维包括碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、镀银纤维、镀铜纤维、镀金纤维、镀铝纤维、镀铁纤维、铜纤维、银纤维、金纤维、铝纤维、铁纤维中任意一种。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述弹性聚合物的预处理操作为根据弹性聚合物的性质将弹性聚合物的粒料溶解于相应溶剂中。

作为本发明的进一步改进，所述塑形容器为注射器针管。

作为本发明的进一步改进，所述磁电式能量收集织物的编织组织结构包括平纹、斜纹和缎纹中任意一种。

本发明还提供了一种磁电式能量收集织物，所述磁电式能量收集织物由上述技术方案中任一技术方案制备得到，包括导电纤维以及由弹性聚合物和磁性粒子混合制备得到的磁性纤维。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过使用弹性聚合物和磁性粒子制备得到磁性纤维，并对磁性纤维进行磁化处理，再以导电纤维为经纱，磁性纤维为纬纱编织得到磁电式能量收集织物，利用磁电式能量收集织物的扭转、折叠等形变，产生感应电动势，从而实现了电磁感应与柔性传感器件的结合，得到可以自供能的磁电式能量收集织物。

2.本发明通过磁化处理充分增强磁性纤维的磁性，从而保证了磁电式能量收集织物能在发生形变时产生足够的电信号变化，以用于人体动作的传感以及关节运动、心跳、脉搏等生理信号的监测。

3.本发明通过纤维编织制备得到的磁电式能量收集织物，集供电、传感于织物、服装上，利用纤维的柔性，能够任意弯折、回弹，便于人体穿戴，且无需使用电池等外部供电设备，通过人体的动作即可产生足够的电信号，应用前景广泛。

附图说明

图1为平纹结构的磁电式能量收集织物的结构示意图。

图2为实施例1-3的磁电式能量收集织物的结构示意图。

图3为实施例1的电压变化检测结果。

图4为对比例1的电压变化检测结果。

图5为实施例1的不同形变的电压检测结果。

图6为对比例2的不同形变的电压检测结果。

图7为对比例2的磁电式能量收集织物的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种磁电式能量收集织物的制备方法，包括如下步骤：

S1、将经过预处理的弹性聚合物与磁性粒子以一定比例混合后，通过注射器针管挤出，经定型、磁化得到磁性纤维；

S2、以导电纤维为经纱、磁性纤维为纬纱，编织得到磁电式能量收集织物。

具体的，步骤S1中，磁化操作为将定型后的待磁化纤维在1500-3000V电压下磁化1～2000ms，得到所述磁性纤维。

具体的，步骤S1中，弹性聚合物与磁性粒子的质量比为80:20～20:80；所述弹性聚合物包括聚乙烯醇、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基乙烯基硅氧烷、聚丙乙烯、聚烯烃和苯乙烯聚合物中任意一种；所述磁性粒子包括钕铁硼磁粉、、钕镍钴磁粉、氧化铁磁粉、二氧化铬磁粉、钴-氧化铁磁粉中任意一种。

具体的，步骤S1中，弹性聚合物的预处理操作为根据弹性聚合物的性质将弹性聚合物的粒料溶解于相应溶剂中。

具体的，步骤S2中，导电纤维包括碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、镀银纤维、镀铜纤维、镀金纤维、镀铝纤维、镀铁纤维、铜纤维、银纤维、金纤维、铝纤维、铁纤维中任意一种。

具体的，所述磁电式能量收集织物的编织组织结构包括平纹、斜纹和缎纹中任意一种。图1为平纹的磁电式能量收集织物，其中，竖直方向的粗线条为磁性纤维，水平方向的弯曲细线条为导电纤维。

本发明还提供了一种磁电式能量收集织物，所述磁电式能量收集织物根据磁电式能量收集织物的制备方法制备得到，包括导电纤维以及由弹性聚合物和磁性粒子混合制备得到的磁性纤维。通过拍打、扭转或折叠磁电式能量收集织物，使其中具有弹性的磁性纤维发生形变，进而使得纤维磁力大小改变，从而能使导电纤维产生感应电动势。利用磁电式能量收集织物能随形变产生电信号变化的特点，可将其应用于人体动作的传感以及关节运动、心跳、脉搏等生理信号的监测。

下面结合具体的实施例对本发明提供的磁电式能量收集织物的制备方法进行说明。

实施例1

本实施例提供了一种磁电式能量收集织物的制备方法，包括如下步骤：

S1、将购买的聚二甲基硅氧烷硅胶弹性体按照说明书描述，以质量比为10:1的比例将溶液A和B混合得到未固化的聚二甲基硅氧烷硅胶弹性体，同时加入钕铁硼磁粉，通过注射器针管挤出，在80℃下干燥2小时进行固化定型处理，将定型后的待磁化纤维在2000V电压下磁化20ms，得到磁性纤维；其中，聚二甲基硅氧烷与钕铁硼磁粉的质量比为20:80；

S2、以铜纤维为经纱、磁性纤维为纬纱，编织得到平纹的磁电式能量收集织物，如图2(a)所示。

实施例2～3

实施例2～3分别提供了一种磁电式能量收集织物的制备方法，与实施例1相比，实施例2中聚二甲基硅氧烷与钕铁硼磁粉的质量比为50:50，编织得到的磁电式能量收集织物为斜纹结构，如图2(b)所示；实施例3中聚二甲基硅氧烷与钕铁硼磁粉的质量比为80:20，编织得到的磁电式能量收集织物为缎纹结构，如图2(c)所示，其余步骤与实施例1一致，在此不再赘述。

对比例1～2

对比例1～2分别提供了一种磁电式能量收集织物的制备方法，与实施例1相比，对比例1的步骤S1中未进行磁化处理操作，对比例2将铜纤维缠绕在磁性纤维上形成闭合回路，如图7所示，其余步骤与实施例1一致，在此不再赘述。

对实施例1及对比例1-2制备得到的磁电式能量收集织物随形变产生的电压变化进行检测，检测结果如图3-图6所示。

如图3和图4所示，对磁性纤维进行磁化处理后，在相同拍力下，磁电式能量收集织物随拍打产生的电压信号由±0.1V左右增至约±0.3V，随形变产生的电压变化明显增强；同时，对比例2的采用铜纤维缠绕磁性纤维的方式制备得到的磁电式能量收集织物，随拉伸、拍打或弯折产生的电压变化(图5)明显低于实施例1制备的磁电式能量收集织物(图6)，约降低5-6个数量级，说明采用本发明的方法制备得到的磁电式能量收集织物能随形变产生足够的电信号，以用于传感监测。

综上所述，本发明公开的磁电式能量收集织物及其制备方法，通过使用弹性聚合物和磁性粒子制备得到磁性纤维，并对磁性纤维进行磁化处理，再以导电纤维为经纱，磁性纤维为纬纱编织得到磁电式能量收集织物，利用磁电式能量收集织物的扭转、折叠等形变，产生感应电动势，从而实现了电磁感应与柔性传感器件的结合，得到可以自供能的磁电式能量收集织物；制备过程中，通过磁化处理以充分增强磁性纤维的磁性，从而保证了磁电式能量收集织物能在发生形变时产生足够的电信号变化，以用于人体动作的传感以及关节运动、心跳、脉搏等生理信号的监测。本发明的磁电式能量收集织物，集供电、传感于织物、服装上，利用纤维的柔性，能够任意弯折、回弹，便于人体穿戴，且无需使用电池等外部供电设备，通过人体的动作即可产生电信号，应用前景广泛。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。