一种基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装

技术领域

本发明涉及智能服装技术领域，特别涉及一种基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装。

背景技术

众所周知，可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能，可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的转变。

二十一世纪以后，智能化渗透国民的生活，市场上关于可穿戴的智能设备越来越多，而这些可穿戴的智能设备主要都是针对年轻人来设计，却忽视了老年人群对可穿戴智能设备的需求。众所周知，老龄化的出现将面临更多的问题，如老年人群需要检测自身的健康状况，以及老年人群中大部分都会出现记忆弱化的现象，严重的则是老年痴呆，生活中老年人走失、忘记回家路线的事件频频发生。

现有技术中，为了监测老年人的行踪，将GPS、北斗导航等定位芯片植入到手环、衣服等可穿戴纺织品中，以实现对走失老年人的定位与跟踪，如专利CN 106723431 A，一种带GPS定位的老年服装。但是还存在以下不足，一是，如保持跟踪定位则需要为智能可穿戴设备持续供电，而容量较大的电池比较沉重不易携带也容易发生危险，因此供电电池也成为限制可定位智能可穿戴设备大规模推广一个重要难题，而太阳能电池目前正朝着更薄更轻、更高光电转换率和输出功率的方向发展，它具有实时充电的功能。二是，在为智能可穿戴设备持续供电时，需要导线将可穿戴设备与供电电池相连接，而传统的导线由于均采用铜、铝导线以及在铜、铝导线外附加一层绝缘层组成，该类导线不耐磨，且材料较为硬挺，如采用该导线，会导致穿戴之人不舒适，需要进一步改进导线的耐磨性以及柔软舒适性。

如专利CN 108813744 A，公开了一种应用于可穿戴智能服装的导线系统及其布线方法，智能服装包括服装本体，服装本体上设有电源单元、传感器元件、电容器、发热装置单元和显示屏单元，导线系统包括若干条柔性导电线元件，柔性导电线元件的一端与电源单元连接，柔性导电线元件的另一端与若干个传感器元件、电容器元件、发热装置单元和显示屏单元一一对应并连接，本方案可在服装上实现智能设备、高分子聚合物传感器、金属传感器、高分子聚合物超级电容器、发热装置、超级电容器装置、柔性显示屏、摩擦自发电高分子纳米发电机系统等的有效联通，方便设计者将导线准确布置到需要位置，还可隐蔽或呈现导线，以形成新的鞋服设计图案和风格，提高服装的美观性，扩大应用市场。该专利主要是通过导电高分子如聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPY)和聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)湿法纺丝制备导电纤维，或者在橡胶纤维表面涂层的方法制备弹性导电纤维，又或者用金属合金、银和碳纳米管改性嵌段共聚物，然而这些纤维制备方法可以制备一定柔性的导电纤维，但是还难以满足在高度牵伸的状态下保持高导电性的要求，势必会造成纤维状超级电容器在拉伸过程中等效串联电阻的增加，恶化超级电容器的性能。

再如专利CN 109735953 A，公开了一种同轴湿法纺丝技术制备TPE/PANI皮芯结构弹性导电纤维和可穿戴应力传感应用，其中所制备的方法包括将溶解于二氯甲烷的苯乙烯与2-甲基-1，3-丁二烯聚合物(TPE)和聚苯胺(PANI)水凝胶皮芯湿法纺丝制备出具有皮为TPE，芯为PANI结构的高弹性导电纤维。由于TPE本身具有良好的可拉伸性能和无毒；PANI本身导电性能优越；以及在TPE管内粘连了大量的PANI，在拉伸过程中，可通过拉伸错位继续构成导电通路。因此可以作为可穿戴器件，很好的对手指弯曲变化；腕部转动和肘部转动弯曲响应。

虽然上述专利中的PANI也具有导电性，但是其导电性与银纳米线相比，导电性较弱。众所周知，PEDOT:PSS是一种高分子聚合物的水溶液，导电率很高，室温下可凝胶化。金属纳米线是指将一种或多种金属设计构造成为纳米线构型。金属纳米线统一具有低电阻，高电化学响应效率的特点在很多领域都有应用。现有技术中，多半选用PEDOT:PSS或AgNWs与聚合物材料共混纺丝，以达到导电性能，但采用此方法制备的纤维电阻大。也有部分将PEDOT:PSS或AgNWs涂覆于纤维表面，制备导电复合纤维，但是这种方法制备的纤维表面磨损易脱落，不利于长期使用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种可实现长时间续航，弥补现有的可穿戴设备体积大、续航短，且导线耐磨、柔软，穿戴舒适的基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，所述服装包括服装本体，所述服装本体表面设置有口袋，所述口袋内放置有一个GPS定位装置，一个小型锂电池和一个两用电池开关，在服装本体的背部设置有太阳能电池板，所述太阳能电池板通过柔性可拉伸导线与两用电池开关相连；所述柔性可拉伸导线是由柔性可拉伸导电纤维和弹性涤纶通过编织技术得到，所述柔性可拉伸导电纤维采用同轴湿法纺丝制备得到，所述柔性可拉伸导电纤维的纵向截面自内而外包括芯层和皮层，所述芯层的材质为PEDOT:PSS/AgNWs，所述皮层的材质为苯乙烯系热塑性弹性体。

上述的基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，所述芯层中PEDOT:PSS与AgNWs的体积比为7:3、5:5、3:7。

上述的基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，所述柔性可拉伸导电纤维的制备方法，包括如下步骤：

S1.材料准备：配制苯乙烯系热塑性弹性体溶解液作为皮层纺丝液，乙醇作为芯层纺丝液，备用；

S2.准备质量浓度为95％的乙醇作为凝固浴浴液；

S3.将步骤S1制得的皮层纺丝液作为皮层，芯层纺丝液作为芯层，采用皮芯结构纤维纺丝装置，控制皮层纺丝液、芯层纺丝液以不同的流速配比注入步骤S2制得的凝固浴浴液内，进行同轴湿法纺丝，得到皮芯结构纤维，并将制得的皮芯结构纤维进行卷绕收集；

S4.将步骤S3中制得的皮芯结构纤维移至去离子水中浸泡，浸泡时间为1-3h，然后在温度为60℃条件下烘干，烘干时间为3-5h，直至芯层乙醇完全挥发后，制备得到中空纤维；

S5.配制PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液，将PEDOT:PSS水溶液与AgNWs以一定的体积比例混合，搅拌3-4h，超声处理25-35min，形成PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液；

S6.将步骤S5配制的PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液注入步骤S4制得的中空纤维中，得到导电纤维；

S7.将步骤S6中制得的导电纤维施加预应力，使得导电纤维应变保持在750-850％，然后放置在室温下干燥10-12h，使PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液凝胶化，撤回预应力，即得可拉伸导电纤维。

上述的基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，所述步骤S1中，在配制皮层纺丝液时，将苯乙烯系热塑性弹性体加入到质量浓度为70％的四氢呋喃溶液中进行配制。

上述的基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，在所述步骤S3中，所述皮层纺丝液的流速设置为6-10mm/min，所述芯层纺丝液的流速设置为5-10mm/min，且皮层纺丝液流速略快于芯层纺丝液流速设置。

上述的基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，在所述步骤S3中，皮结构芯纤维卷绕收集时，控制皮芯结构纤维的卷绕速度为7mm/min。

上述的基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，在所述步骤S3中，所述皮芯结构纤维纺丝装置包括用于盛装凝固浴浴液的容器，前支撑辊，后支撑辊，以及用于将制备得到的聚乙烯醇/硅橡胶纤维收卷的卷绕装置，还包括同轴针头，所述同轴针头通过软管与注射器连接，所述注射器设置为两个，一个用于将皮层纺丝液注射至凝固浴浴液中，另一个用于注射芯层纺丝液。

上述的基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，所述苯乙烯系热塑性弹性体包括苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物。

上述的基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，所述GPS定位装置内设置有GPS定位模块和远程通信模块。

上述的基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，所述锂电池通过柔性可拉伸导线与两用电池开关相连，所述GPS定位装置由锂电池和太阳能电池交替供电，所述锂电池和太阳能电池板由两用电池开关控制。

本发明基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装的有益效果是：首先，本发明采用锂电池与太阳能电池相结合的方式来实现长时间续航的目的。其次，采用了本发明的制备方法制备的柔性可拉伸导线将太阳能电池板与两用电池开关相连，以及将锂电池与两用电池开关相连，由于导电纤维的芯层材质采用了PEDOT:PSS/AgNWs，而PEDOT/PSS可以将银纳米线固着在纤维内部，而又不让其导电性能损耗太多，大大提高了导电纤维的导电性能，从而可延长太阳能电池板、锂电池的电量使用时间，进一步延长了续航时间。本发明能够对使用者进行定位和运动监测，可有效防止走失；同时电源为太阳能电池和锂电池，可实现节能减耗、超声续航；另外导线为柔性可拉伸导线，柔软贴身，增加使用者穿戴舒适感。

通过同轴湿法纺丝技术，以苯乙烯系热塑性弹性体溶解液作为皮层纺丝液，乙醇作为芯层纺丝液，纺出中空纤维，再将PEDOT:PSS/AgNWs这两种材料进行复合，注射到中空纤维内，待PEDOT:PSS凝胶化后，AgNWs银纳米线均匀分布在凝胶中，使AgNWs银纳米线牢固粘附在纤维内部，提高且稳定了导电纤维的导电性，所以得到的导电纤维不仅耐疲劳，且不易损坏，银纳米线导电材料也不易掉落，大大提高了导电性能，延长了使用寿命。导电纤维的制备方法简单、经济，纤维可纺性好，且成型的导电纤维孔径大小、纤维内外壁厚等具有可调的优势。本发明能够实现连续、产业化生产，纤维均匀度得到有效提高，生产工艺稳定，生产效率高，制备流程简单，成本低，值得被广泛推广应用。

附图说明

图1为实施例1定位智能服装的正面结构示意图；

图2为实施例1定位智能服装的背面结构示意图；

图3为实施例1制备SEBS/PEDOT:PSS/AgNWs柔性可拉伸导电纤维截面示意图；

图4为皮芯结构纤维纺丝装置结构示意图；

图5为向中空纤维中注入PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液示意图；

图6为实施例1柔性可拉伸导线的编织结构示意图。

图中：服装本体(1)、口袋(2)、GPS定位装置(3)、锂电池(4)、两用电池开关(5)、太阳能电池板(6)、柔性可拉伸导线(7)、芯层(8)、皮层(9)、容器(10)、前支撑辊(11)、后支撑辊(12)、卷绕装置(13)、同轴针头(14)、软管(15)、注射器(16)、皮层纺丝液(17)、芯层纺丝液(18)、凝固浴浴液(19)、中空纤维(20)、PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液(21)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

实施例1

如图1、2、3、4、5、6所示，一种基于柔性导电纤维的可续航GPS定位智能服装，服装包括服装本体1，服装本体1表面设置有口袋2，口袋2内放置有一个GPS定位装置3，一个小型锂电池4和一个两用电池开关5，在服装本体1的背部设置有太阳能电池板6，太阳能电池板6通过柔性可拉伸导线7与两用电池开关5相连，柔性可拉伸导线7柔软贴身，可增加使用者穿戴的舒适感。其中，GPS定位装置3内设置有GPS定位模块和远程通信模块。锂电池4通过柔性可拉伸导线与两用电池开关相连，GPS定位装置3由锂电池和太阳能电池交替供电，锂电池4和太阳能电池板6由两用电池开关控制。

在本实施例中GPS定位装置体积小，尺寸为2.5×1.5×0.3cm。在口袋2上方有魔术贴，可以防止口袋2里的部件掉落。电源采用太阳能电池板和锂电池，节能减耗、超声续航两用其中，两用电池开关5控制着定位装置3的供电，当太阳能电池板6没电时，可切换至锂电池4进行供电，因此可实现长时间续航。GPS定位装置3包括GPS定位模块和远程通信模块，插入SIM卡后，可将信号发送至手机。当家人想知道使用者的位置时，可直接打开手机观察，方便家人监控和定位。

本实施例中的柔性可拉伸导线7是由柔性可拉伸导电纤维和弹性涤纶通过编织技术得到，柔性可拉伸导电纤维采用同轴湿法纺丝制备得到，柔性可拉伸导电纤维的纵向截面自内而外包括芯层8和皮层9，芯层8的材质为PEDOT:PSS/AgNWs，皮层9的材质为苯乙烯系热塑性弹性体。制备的可拉伸导电纤维的应变力为25.05-39.05MPa，应变率为1270.54-1510.54％，电阻率为35.49-40.49S/cm。其中，芯层8中PEDOT:PSS与AgNWs的体积比为7:3。

PEDOT:PSS为PEDOT:PSS水溶液，在配制PEDOT:PSS水溶液时，PEDOT与PSS的质量比值为1：2.5，含固量为20mg/L。

本实施例中柔性可拉伸导电纤维的制备方法，包括如下步骤：

S1.材料准备：配制苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物溶解液作为皮层纺丝液17，乙醇作为芯层纺丝液18，备用；在配制皮层纺丝液时，将苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物加入到质量浓度为70％的四氢呋喃溶液中进行配制。

S2.准备质量浓度为95％的乙醇作为凝固浴浴液；

S3.将步骤S1制得的皮层纺丝液作为皮层，芯层纺丝液作为芯层，采用皮芯结构纤维纺丝装置，控制皮层纺丝液、芯层纺丝液以不同的流速配比注入步骤S2制得的凝固浴浴液内，进行同轴湿法纺丝，得到皮芯结构纤维，并将制得的皮芯结构纤维进行卷绕收集；其中，皮层纺丝液的流速设置为8mm/min，所述芯层纺丝液的流速设置为5mm/min，且皮层纺丝液流速略快于芯层纺丝液流速设置，控制皮芯结构纤维的卷绕速度为7mm/min。

S4.将步骤S3中制得的皮芯结构纤维移至去离子水中浸泡，浸泡时间为1h，然后在温度为60℃条件下烘干，烘干时间为3h，直至芯层乙醇完全挥发后，制备得到中空纤维20；制备得到中空纤维，该中空纤维外径为2.2mm，内径为1.7mm；

S5.配制PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液，将PEDOT:PSS水溶液与AgNWs以一定的体积比例混合，搅拌3h，超声处理25min，形成PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液；

S6.将步骤S5配制的PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液注入步骤S4制得的中空纤维中，得到导电纤维；PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液21采用注射器注入中空纤维20中；

S7.将步骤S6中制得的导电纤维施加预应力，使得导电纤维应变保持在810％，然后放置在室温下干燥10h，使PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液凝胶化，撤回预应力，即得可拉伸导电纤维。

在步骤S3中，皮芯结构纤维纺丝装置包括用于盛装凝固浴浴液的容器10，前支撑辊11，后支撑辊12，以及用于将制备得到的聚乙烯醇/硅橡胶纤维收卷的卷绕装置13，还包括同轴针头14，同轴针头14通过软管15与注射器16连接，注射器16设置为两个，一个用于将皮层纺丝液注射至凝固浴浴液19中，另一个用于注射芯层纺丝液。柔性可拉伸导线7为弹性编织导线。

本发明通过同轴湿法纺丝纺出中空纤维，再将复合导电材料注射到纤维内部，制备一种芯层部材料为PEDOT/PSS导电高分子水凝胶加银纳米线，银纳米线属于金属导电性最好，但容易在纤维内表面脱落，而PEDOT/PSS可以将银纳米线固着在纤维内部，而又不让其导电性能损耗太多，大大提高了导电纤维的导电性能。芯层、皮层所选材料均为柔性可拉伸材料，耐疲劳且不易损坏，导电材料也不易掉落，保证导电性能良好。具体的，将AgNWs与PEDOT:PSS混合，待PEDOT:PSS凝胶化后，AgNWs分布在凝胶中，使其牢固粘附在纤维内部，提高并稳定纤维的导电性。本发明的制作方法简单、经济，可该纺性好，且成型的纤维孔径大小、纤维内外壁厚等可调的优势。

实施例2

与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例中的柔性可拉伸导线7中芯层8的PEDOT:PSS与AgNWs的体积比为5:5。

本实施例中柔性可拉伸导电纤维的制备方法，包括如下步骤：

S1.材料准备：配制苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物溶解液作为皮层纺丝液，乙醇作为芯层纺丝液，备用；在配制皮层纺丝液时，将苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物加入到质量浓度为70％的四氢呋喃溶液中进行配制。

S2.准备质量浓度为95％的乙醇作为凝固浴浴液；

S3.将步骤S1制得的皮层纺丝液作为皮层，芯层纺丝液作为芯层，采用皮芯结构纤维纺丝装置，控制皮层纺丝液、芯层纺丝液以不同的流速配比注入步骤S2制得的凝固浴浴液内，进行同轴湿法纺丝，得到皮芯结构纤维，并将制得的皮芯结构纤维进行卷绕收集；其中，皮层纺丝液的流速设置为9mm/min，所述芯层纺丝液的流速设置为6mm/min，且皮层纺丝液流速略快于芯层纺丝液流速设置，控制皮芯结构纤维的卷绕速度为7mm/min。

S4.将步骤S3中制得的皮芯结构纤维移至去离子水中浸泡，浸泡时间为2h，然后在温度为60℃条件下烘干，烘干时间为4h，直至芯层乙醇完全挥发后，制备得到中空纤维；

S5.配制PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液，将PEDOT:PSS水溶液与AgNWs以一定的体积比例混合，搅拌4h，超声处理30min，形成PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液；

S6.将步骤S5配制的PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液注入步骤S4制得的中空纤维中，得到导电纤维；PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液采用注射器注入中空纤维中；

S7.将步骤S6中制得的导电纤维施加预应力，使得导电纤维应变保持在800％，然后放置在室温下干燥11h，使PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液凝胶化，撤回预应力，即得可拉伸导电纤维。

现有技术中，多半选用PEDOT:PSS或AgNWs与聚合物材料共混纺丝，以达到导电性能，但是纤维电阻大；也有部分将PEDOT:PSS或AgNWs涂覆于纤维表面，制备导电复合纤维，但是表面磨损易脱落。本发明通过同轴湿法纺丝纺出中空纤维，再将两种复合导电材料注射到纤维内部，所选材料均为柔性可拉伸材料，耐疲劳且不易损坏，导电材料也不易掉落，保证导电性能良好。方法简单、经济，可该纺性好，且成型的纤维孔径大小、纤维内外壁厚等可调的优势。

实施例3

与实施例1、2相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例中的柔性可拉伸导线7中芯层8的PEDOT:PSS与AgNWs的体积比为3:7。

本实施例中柔性可拉伸导电纤维的制备方法，包括如下步骤：

S1.材料准备：配制苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物溶解液作为皮层纺丝液，乙醇作为芯层纺丝液，备用；在配制皮层纺丝液时，将苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物加入到质量浓度为70％的四氢呋喃溶液中进行配制。

S2.准备质量浓度为95％的乙醇作为凝固浴浴液；

S3.将步骤S1制得的皮层纺丝液作为皮层，芯层纺丝液作为芯层，采用皮芯结构纤维纺丝装置，控制皮层纺丝液、芯层纺丝液以不同的流速配比注入步骤S2制得的凝固浴浴液内，进行同轴湿法纺丝，得到皮芯结构纤维，并将制得的皮芯结构纤维进行卷绕收集；其中，皮层纺丝液的流速设置为10mm/min，所述芯层纺丝液的流速设置为9mm/min，且皮层纺丝液流速略快于芯层纺丝液流速设置，控制皮芯结构纤维的卷绕速度为7mm/min。

S4.将步骤S3中制得的皮芯结构纤维移至去离子水中浸泡，浸泡时间为2h，然后在温度为60℃条件下烘干，烘干时间为4h，直至芯层乙醇完全挥发后，制备得到中空纤维；

S5.配制PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液，将PEDOT:PSS水溶液与AgNWs以一定的体积比例混合，搅拌4h，超声处理30min，形成PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液；

S6.将步骤S5配制的PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液注入步骤S4制得的中空纤维中，得到导电纤维；PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液采用注射器注入中空纤维中；

S7.将步骤S6中制得的导电纤维施加预应力，使得导电纤维应变保持在800％，然后放置在室温下干燥12h，使PEDOT:PSS/AgNWs混合溶液凝胶化，撤回预应力，即得可拉伸导电纤维。

上述导电纤维制备方法摒弃传统的制备方法，即用PEDOT:PSS或AgNWs与聚合物材料共混纺丝，或是PEDOT:PSS或AgNWs涂覆于纤维表面制备可拉伸导电纤维的方式。而采用同轴湿法纺丝技术，来制备一种内部负载PEDOT:PSS/AgNWs的导电纤维的的新构思，以PEDOT:PSS/AgNWs为芯层，以苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物为皮层，制备得到皮芯结构的导电纤维，该导电纤维可拉伸性能好，耐疲劳且不易损坏，导电材料也不易掉落，保证了良好导电性能。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修改，都应涵盖在本发明的保护范围内。