基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物及其应用

技术领域

本申请涉及智能织物技术领域，特别涉及一种基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物及其应用。

背景技术

随着物联网技术以及社会经济的迅猛发展，智能电子产品受到了广泛关注，尤其是在可穿戴领域更是已经融入人们的工作、学习和日常生活。然而传统可穿戴智能产品在使用舒适性与传感智能性的兼容方面仍存在诸多问题，导致设备笨重、不透气、不舒适，无法实现真正的柔性可穿戴。此外，由于过度依赖石油、煤炭等化石能源以及不可再生资源的过度开采，能源危机和环境污染问题已经成为制约未来社会可持续发展的巨大阻碍。具有材料选择性广、结构简单、能量转换效率高等优点的摩擦纳米发电机被认为是解决上述问题的重要方案之一。

摩擦纳发电机通过摩擦起电、静电感应以及位移电流的耦合效应将生活中不被人们重视的零散的机械能转化为电能，作为清洁能源为其他电子器件供能，或作为自供能传感器，为人们缓解当下能源短缺问题提供了新方案。而将摩擦纳米发电机与纺织技术相结合，织造纺织基摩擦纳米发电机也是提高可穿戴产品使用舒适性能的有效途径。根据现有研究，纺织基摩擦电纳米发电机按照加工工艺主要可以分为两大类：以纱线为单元进行单独传感的纱线基摩擦电纳米发电机和以织物整体作为传感单元的织物基摩擦电纳米发电机。

织物基摩擦电纳米发电机按照加工工艺分又可为针织摩擦电纳米发电机、机织摩擦电纳米发电机和非织造摩擦电纳米发电机三种。与机织摩擦电纳米发电机和非织造摩擦电纳米发电机相比，针织摩擦电纳米发电机由于其原料适应性强、织物质地柔软、弹性好、透气、抗皱等优点脱颖而出，受到广泛关注。按照纱线喂入机器的方向不同，针织摩擦电纳米发电机可分为纬编摩擦电纳米发电机和经编摩擦电纳米发电机两大类。与纬编摩擦电纳米发电机相比，经编摩擦电纳米发电机的尺寸稳定性好、生产效率高，更适合未来商业化大规模生产。

经编毛圈织物作为一种常见的纺织品，不仅兼具使用舒适性能优异、尺寸稳定性好、生产效率高等优点，并且相较其他种类的织物而言还拥有更大的比表面积，因此在与外界物质摩擦发电时具有更大的输出。然而当下经编摩擦电纳米发电机还相当少见，而经编毛圈摩擦纳米发电机更是没有。

发明内容

本申请的目的是提供一种基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物及其应用，以解决目前可穿戴电子产品与人体贴合性能差、使用舒适性能不佳、外接电源存在安全隐患等问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案为：

一方面，本申请提供了一种基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物，包括与外部物质接触的织物绒面以及不与外部物质接触的织物底布；

所述织物绒面为所述经编毛圈智能织物的摩擦起电层，所述织物底布为所述经编毛圈智能织物的导电层及支撑层；

其中，所述织物绒面为经编毛圈组织结构。

在一种可能的实现方式中，所述织物绒面与外部摩擦层接触，所述织物底布通过导线与外接电子器件相连。

在一种可能的实现方式中，所述经编毛圈智能织物采用毛圈经编机织造，所述毛圈经编机至少包括梳栉GB1、梳栉GB2以及梳栉GB3；

所述织物绒面的经编毛圈组织结构由所述梳栉GB1使用脱圈法织造形成，为使织造所述经编毛圈组织结构的纱线在编织时能够从所述梳栉GB1上脱落并形成毛圈，所述梳栉GB1使用一穿一空的方式进行穿纱，并在后整工艺中使用辅助牵拉机构使毛圈部分变得蓬松且均匀。

在一种可能的实现方式中，所述织物底布由所述梳栉GB2和所述梳栉GB3共同织造而成，所述梳栉GB2和所述梳栉GB3均使用一空一穿的方式进行穿纱。

在一种可能的实现方式中，所述织物绒面使用不导电且具有较强介电性能的化学纤维或天然纤维织造而成。

在一种可能的实现方式中，所述织物绒面使用的原料纱线包括涤纶、锦纶、聚四氟乙烯纤维、丙纶、羊毛、蚕丝中的其中一种。

在一种可能的实现方式中，所述织物底布使用能够导电并具有较好拉伸强度和柔韧性能的导电纱线。

在一种可能的实现方式中，所述织物底布使用的原料纱线包括镀银锦纶、镀银涤纶中的其中一种。

另一方面，本申请还提供了一种根据上述基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物在清洁能源收集领域中的应用，用于为电子产品供能。

另一方面，本申请还提供了一种根据上述基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物在柔性传感领域中的应用，用于人体运动监测。

本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请将成熟的经编工艺与新兴的摩擦纳米发电机相结合，充分发挥了两者的优点，相较于传统可穿戴智能产品而言，使本申请提供的经编毛圈智能织物在满足自供能传感和监测的同时，拥有更好的柔韧和透气性，兼备了纺织品本身的人体贴合性和使用舒适性，并且避免了传统可穿戴产品电源安全性的问题；

另外，经编毛圈织物相较于纬编织物等其他纺织品而言，拥有较好的尺寸稳定性和优异的保暖性，能够满足正常的反复使用和寒冷环境下的使用的需求，本申请提供的经编毛圈智能织物保留了经编织物易加工、高生产效率的优点，并且兼备了摩擦纳米发电机原料选择广泛、低成本的特点，因此具有大规模制造的潜力，非常适合商品化生产；

其中，毛圈织物表面较为蓬松，在与外界摩擦接触时，相较于平整、无毛绒的织物，毛圈织物表面的毛绒会与外界拥有更大的接触面积，毛圈织物与外界的摩擦起电能力更强，由于这一特点本申请提供的经编毛圈智能织物拥有较大的摩擦电输出，在为自身或其他电子器件供电时拥有更高的输出功率。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1示出了本申请一个示例性实施例提供的基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物的结构原理图；

图2示出了本申请一个示例性实施例提供的基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物在水平滑动运行模式下的工作原理图；

图3示出了本申请一个示例性实施例提供的基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物在垂直接触-分离运动运行模式下的工作原理图；

图4示出了本申请实施例二中经编毛圈智能织物在水平滑动运行模式下的开路电压情况示意图；

图5示出了本申请实施例二中经编毛圈智能织物在水平滑动运行模式下的短路电流情况示意图；

图6示出了本申请实施例二中经编毛圈智能织物在水平滑动运行模式下的短路电荷情况示意图；

图7示出了本申请实施例二中经编毛圈智能织物在水平滑动运行模式下对4.7μF电容器充电的电压情况示意图；

图8示出了本申请实施例三中经编毛圈智能织物在水平滑动运行模式下对LED小灯供能的示意图；

图9示出了本申请实施例四中经编毛圈智能织物在水平滑动运行模式下对计算器供能的示意图；

图10示出了本申请实施例五中经编毛圈智能织物在垂直接触-分离运动运行模式下的开路电压情况示意图；

图11示出了本申请实施例五中经编毛圈智能织物在垂直接触-分离运动运行模式下的短路电流情况示意图；

图12示出了本申请实施例五中经编毛圈智能织物在垂直接触-分离运动运行模式下的短路电荷情况示意图；

图13示出了本申请实施例五中经编毛圈智能织物在垂直接触-分离运动运行模式下的压强灵敏度情况示意图；

图14示出了本申请实施例五中经编毛圈智能织物在垂直接触-分离运动运行模式下安装于足底部位用于监测人体的运动状态的情况示意图；

图15示出了本申请实施例六中经编毛圈智能织物在垂直接触-分离运动运行模式下用于人体摆臂监测时的情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和实施例对本申请作更进一步的说明。

实施例一

图1示出了本申请一个示例性实施例提供的基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物的结构原理图，经编毛圈智能织物包括与外部物质接触的织物绒面1以及不与外部物质接触的织物底布2；织物绒面1为经编毛圈智能织物的摩擦起电层，需要具有较强的摩擦起电能力；织物底布2为经编毛圈智能织物的导电层及支撑层；其中，织物绒面1为经编毛圈组织结构。

在一个可选的实施例中，请参阅图1，织物绒面1与外部摩擦层3接触，织物底布2通过导线与外接电子器件4相连。

在一些实施例中，经编毛圈智能织物采用毛圈经编机织造，毛圈经编机至少包括梳栉GB1、梳栉GB2以及梳栉GB3；织物绒面1的经编毛圈组织结构由梳栉GB1使用脱圈法织造形成，为使织造经编毛圈组织结构的纱线在编织时能够从梳栉GB1上脱落并形成毛圈，梳栉GB1使用一穿一空的方式进行穿纱，并在后整工艺中使用辅助牵拉机构使毛圈部分变得蓬松且均匀。织物底布2由梳栉GB2和梳栉GB3共同织造而成，梳栉GB2和梳栉GB3均使用一空一穿的方式进行穿纱。

可选地，织物绒面1使用不导电且具有较强介电性能的化学纤维或天然纤维织造而成。优选地，织物绒面1使用的原料纱线包括但不限于涤纶、锦纶、聚四氟乙烯纤维、丙纶、羊毛、蚕丝中的其中一种。

进一步地，织物底布2使用能够导电并具有较好拉伸强度和柔韧性能的导电纱线。优选地，织物底布2使用的原料纱线包括但不限于镀银锦纶、镀银涤纶中的其中一种。

需要说明的是，本申请提供的基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物不仅具有优异的人体贴合性能和使用舒适性能，还能够实现较强的自发电输出。既可以将其应用在清洁能源收集领域中，用于为电子产品供能；又可以将其应用在柔性传感领域中，用于人体运动监测。

在本申请实施例中，将成熟的经编工艺与新兴的摩擦纳米发电机相结合，充分发挥了两者的优点，相较于传统可穿戴产品而言，使本申请提供的经编毛圈智能织物在满足自供能传感和监测的同时，拥有更好的柔韧和透气性，兼备了纺织品本身的人体贴合性和使用舒适性，并且避免了传统可穿戴产品电源安全性的问题；另外，经编毛圈织物相较于纬编织物等其他纺织品而言，拥有较好的尺寸稳定性和优异的保暖性，能够满足正常反复使用和寒冷环境下使用的需求，本申请提供的经编毛圈智能织物保留了经编织物易加工、高生产效率的优点，并且兼备了摩擦纳米发电机原料选择广泛、低成本的特点，因此具有大规模制造的潜力，非常适合商品化生产；其中，毛圈织物表面较为蓬松，在与外界摩擦接触时，相较于平整、无毛绒的织物，毛圈织物表面的毛绒会与外界拥有更大的接触面积，毛圈织物与外界的摩擦起电能力更强，由于这一特点本申请提供的经编毛圈智能织物拥有较大的摩擦电输出，在为自身或其他电子器件供电时拥有更高的输出功率。

为了更好的理解本申请，下面结合附图和五个具体实施例对本申请作更进一步的说明。需要说明的是，下述实施例二至实施例六对本申请提供的基于摩擦纳米发电机的经编毛圈智能织物进行摩擦电输出测试，测试中所使用的仪器如下表所示：

详细地，将经编毛圈智能织物的反面粘贴至亚克力板，并将亚克力板固定于压力传感器上，该压力传感器用于监测经编毛圈智能织物在工作过程中压力变化的；在经编毛圈智能织物的另一侧为外部摩擦层，两者平行排列；外部摩擦层固定在能够线性运动并可调节运动距离和运动速度的直线电机上；通过控制直线电机的运动使外部摩擦层与经编毛圈智能织物做周期性的水平滑动或垂直接触-分离运动。在工作过程中，通过将经编毛圈智能织物的电极与静电计相连采集织物的电信号输出(开路电压、短路电流和短路电荷)，并在LabVIEW平台上将实时采集到的电信号转化为更直观明了的数字信号。

下面对经编毛圈智能织物做周期性的水平滑动、垂直接触-分离运动的工作原理进行说明。

水平滑动运行模式工作原理：

在水平滑动运行模式下，经编毛圈智能织物的工作原理示意图如图2所示，在初始状态下，经编毛圈智能织物不带电，各部分都显示为电中性。在外力作用下，经编毛圈智能织物与外部摩擦层相互接触，并进行周期性的水平滑动运动。由于不同材料的电子亲和性不同，两种材料在水平滑动时摩擦起电，接触表面间出现电子跃迁，导致两种材料产生不同极性的静电电荷，如图2(Ⅰ)所示，此时经编毛圈智能织物整体处于静电平衡状态。如图2(Ⅱ)所示，当经编毛圈智能织物和外部摩擦层在外力作用下开始滑动分离，材料接触表面间出现电势差，电极电势发生改变。若此时将电极连接外部电路，由于经编毛圈智能织物的电极与外界存在电势差，在电势差作用下，电极中的自由电子发生移动，从而在外部电路中产生定向移动的电流。当经编毛圈智能织物与外部摩擦层滑动分离到一定距离后，摩擦所产生的静电电荷被背面电极的感应电荷平衡，外部电路电荷停止流动，如图2(Ⅲ)所示。如图2(Ⅳ)所示，当经编毛圈智能织物与外部摩擦层再次受外力驱动重新开始滑动接触时，两种材料间的间隙减小，静电平衡状态被打破，材料接触表面间的电势差再次发生改变，电子开始反向流动，电极电势也随之发生改变。若连接外部电路，由于电极电势差发生变化，电极与外部电路另一端的电极再次出现电势差，外部电路出现反向流动的电流。当经编毛圈智能织物与外部摩擦层完全接触时，两层之间再次发生电荷平衡，此时外部电路电荷停止流动。

垂直接触-分离运动运行模式工作原理：

在垂直接触-分离运动运行模式下，经编毛圈智能织物的工作原理示意图如图3所示。其工作原理与上述水平滑动运行模式基本一致，只是经编毛圈智能织物与外部摩擦层相对运动的方向不同。

另外，下述实施例二至实施例六中，编织经编毛圈智能织物均采用上述毛圈经编机织造而成毛圈经编机包括梳栉GB1、梳栉GB2以及梳栉GB3，织物绒面的经编毛圈组织结构由梳栉GB1使用脱圈法织造形成，织物底布由梳栉GB2和梳栉GB3共同织造而成，梳栉GB1使用一穿一空的方式进行穿纱，梳栉GB2和梳栉GB3均使用一空一穿的方式进行穿纱，具体为：

GB1：3-4/1-0//一穿一空；

GB2：0-1/1-0//一空一穿；

GB3：5-5/0-0//一空一穿。

值得注意的是，下述实施例二、实施例三和实施例四实现为外部摩擦层与经编毛圈智能织物做周期性的水平滑动，应用在清洁能源收集领域中，用于为电子产品供能。下述实施例五和实施例六为外部摩擦层与经编毛圈智能织物做周期性的垂直接触-分离运动，应用在柔性传感领域中，用于人体运动监测。

实施例二

本实施例中，织物绒面使用非导电纱线为160D的涤纶纱线，织物底布使用导电纱线为100D的镀银锦纶66纱线。外部摩擦层为聚四氟乙烯(PTFE)膜。将织造完成的经编毛圈智能织物(大小约为50×50mm

效果测试：对本实施例织造的经编毛圈智能织物进行摩擦电输出测试，在聚四氟乙烯膜上做速度为100mm/s、滑动距离为50mm的往复水平滑动运动。详细的说，经测试，请参阅图4，工作周期中的开路电压达到了约为170V；请参阅图5，短路电流达到了约为225nA；请参阅图6，短路电荷达到了约为58nC。

此外，通过把本实施例织造的经编毛圈智能织物连接整流器，将经编毛圈智能织物运行所产生的交流电转化为直流电，并对电容器进行充电。经测试，请参阅图7，在360s内，使用本实施例织造的经编毛圈智能织物可将4.7μF电容器充电至9V。

实施例三

本实施例中，织物绒面使用非导电纱线为160D的涤纶纱线，织物底布使用导电纱线为100D的镀银锦纶66纱线。外部摩擦层为聚四氟乙烯(PTFE)膜。

如图8所示，将织造完成的经编毛圈智能织物(大小为80×90mm

实施例四

本实施例中，织物绒面使用非导电纱线为160D的涤纶纱线，织物底布使用导电纱线为100D的镀银锦纶66纱线。外部摩擦层为聚四氟乙烯(PTFE)膜。受限于摩擦纳米发电机的工作原理，经编毛圈智能织物在正常情况下的输出为交流电，而人们日常生活中的许多电子设备都需要使用直流电供能，为了能够让经编毛圈智能织物可以对这些电子设备供电，需要通过连接整流器将经编毛圈智能织物输出的交流电转化为直流电。

如图9所示，将织造完成的经编毛圈智能织物(大小为80×90mm

实施例五

本实施例中，织物绒面使用非导电纱线为160D的涤纶纱线，织物底布使用导电纱线为100D的镀银锦纶66纱线。外部摩擦层为聚四氟乙烯(PTFE)膜。将织造完成的经编毛圈智能织物(大小约为50×50mm

效果测试，对本实施例织造的经编毛圈智能织物进行摩擦电输出测试，在聚四氟乙烯膜上做速度为40mm/s、负载压强1kPa、分离距离为50mm的往复垂直接触-分离运动。详细的说，经测试，请参阅图10，在工作周期内其开路电压达到了约为27V；请参阅图11，短路电流达到了约为120nA；请参阅图12，短路电荷达到了约为9.3nC。请参阅图13，经编毛圈智能织物对压强有着较为灵敏的相应特性，其压强灵敏度约为1.71V/kPa。

此外，将经编毛圈智能织物(大小约为50×50mm

实施例六

本实施例中，织物绒面使用非导电纱线为160D的涤纶纱线，织物底布使用导电纱线为100D的镀银锦纶66纱线。外部摩擦层为聚四氟乙烯(PTFE)膜。将织造完成的经编毛圈智能织物(大小约为50×50mm

人体在运动过程中为了维持身体平衡，手臂会不自觉的摆动，而手臂摆动的幅度和频率也会随运动的激烈程度发生变化。例如，步行时，手臂摆动的幅度和频率较小；奔跑时，手臂摆动的幅度和频率较大；调高和跳远时，手臂摆动的幅度大而频率小。

此外，左右两条胳膊的摆动状态也会因为人体的运动状态改变而不同。例如，打乒乓球右手挥拍时，人体右侧胳膊的摆动幅度会更大些；跳绳时，左右两侧的胳膊会同时摆动；而跑步时，两侧胳膊则同频率交替摆动。

本实施例中，将经编毛圈智能织物通过缝纫的方式固定在衣物腋下处，用以监测人体运动时的摆臂状态。而经编毛圈智能织物对摆臂状态变化的表征主要体现为摩擦电输出波形图的峰值大小以及波峰间距。

请参阅图15，展示了两种不同幅度和频率的摆臂状态，即“慢”和“快”。当摆臂在“快”状态时，人体摆臂幅度较大，经编毛圈智能织物的接触压强大，开路电压大，对应输出波形的峰值大。当摆臂在“慢”状态时，人体摆臂频率较小，对应输出波形的波峰间距大。

综上所述，本申请将成熟的经编工艺与新兴的摩擦纳米发电机相结合，充分发挥了两者的优点，相较于传统可穿戴产品而言，使本申请提供的经编毛圈智能织物在满足自供能传和监测的同时，拥有更好的柔韧和透气性，兼备了纺织品本身的人体贴合性和使用舒适性，并且避免了传统可穿戴产品电源安全性的问题；另外，经编毛圈织物相较于纬编织物等其他织物而言，拥有较好的尺寸稳定性和优异的保暖性，能够满足正常反复使用和寒冷环境下使用的需求，本申请提供的经编毛圈智能织物保留了经编织物易加工、高生产效率的优点，并且兼备了摩擦纳米发电机原料选择广泛、低成本的特点，因此具有大规模制造的潜力，非常适合商品化生产；其中，毛圈织物表面较为蓬松，在与外界摩擦接触时，相较于平整、无毛绒的织物，毛圈织物表面的毛绒会与外界拥有更大的接触面积，毛圈织物与外界的摩擦起电能力更强，由于这一特点本申请提供的经编毛圈智能织物拥有较大的摩擦电输出，在为自身或其他电子器件供电时拥有更高的输出功率。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。