[发明专利]具有表面间隔结构的导电螺旋纱线自供电传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有表面间隔结构的导电螺旋纱线自供电传感器及其制备方法，所述电传感器的截面结构是由聚合物纤维束(10A)、碳纳米管涂层(21)和疏水保护层(22)构成。本发明方法是在取向排列纤维的一面涂覆导电的碳纳米管，然后经加捻制成螺旋状的表面间隔结构的导电螺旋纱线结构体，后经封装疏水保护层，得到具有表面间隔结构的导电螺旋纱线自供电传感器。自供电传感器通过对人体各部位机械能的捕获并将其转换为电能，可作为智能传感单元对人体运动进行监测，编织后可作为可穿戴电子的供电设备，亦可对压力的空间分布进行识别，在生物监测、可穿戴智能电子领域拥有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种自供电传感器，更特别地说，涉及一种具有表面间隔结构的导电螺旋纱线的自供电传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着人们对智能手表、运动手环、谷歌眼镜等可穿戴设备需求的不断增加，智能可穿戴电子市场出现爆炸式增长。这些设备间可以实现人机交互、信息专递和检测人类健康信号等功能，在生物监测、智能医疗、电子通讯领域展现出巨大应用前景。为提高人体穿戴的舒适性，这些器件的发展趋向于小尺寸、轻重量、高性能和多功能化。然而，传统的可充电电池因为其体积大、笨重、柔性差、不易与织物相整合等缺点，无法满足下一代可穿戴电子产品的使用需求。从这个角度看，柔性线状的能量转换设备通过捕获并转换环境能量，如太阳能、热能和机械能，为可穿戴电子的供能开辟了新的思路。

机械能作为一种无处不在环境能量，与人体运动息息相关。通过对人体手臂运动、行走、打字等日常运动产生的机械能进行捕获，将其转换就足以支持大多数便携式电子设备的工作。在2017年6期《新材料产业》中公开的“纳米摩擦发电机”一文，作者，马明园；其图1中介绍了由2种高聚物薄膜互相堆叠的三明治结构的摩擦发电机。通过利用摩擦起电与静电诱导耦合效应，可从环境中收集微小的机械能，并为各种传感器件提供动力，从而形成一个自供电的传感系统。

以金属电极作电荷感应/收集的摩擦发电设备除了存在加工工艺复杂、成本高和集成性差等问题外，金属材料较差的柔性、拉伸后易断裂，易与基底材料剥离等性质也限制了其在可穿戴领域的应用。通过复合导电性能好、质轻、力学强度高的碳纳米管与造价低、柔性好、形态可控的聚合物，成为制备柔性电子器件的有效方法之一。

在2020年8月第39卷第8期《电子元件与材料》中公开了“柔性自供电传感器的研究进展”，作者，李鸿冰、韩文佳、姜亦飞、赵轩。对于柔性自供电传感器而言，目前主流的自供电方式为压电、摩擦电和热电三种。相对于传统传感器，自供电传感器可供选择的材料还是相对较少，所以新材料的研发也是未来研究的重点。

发明内容

本发明是针对柔性可穿戴的自供能器件而设计的，是提出了一种新型的柔性自供电传感器。本发明设计的具有表面间隔结构的导电螺旋纱线自供电传感器利用穿戴者运动产生的拉伸机械能作为动能使表面间隔结构的导电螺旋纱线自供电传感器发电。本发明利用具有电负性差值的聚合物与导电碳纳米管分别作为摩擦生电层与导电电极；首先在取向排列的弹性高分子聚合物纤维束(10A)上单面涂覆导电碳纳米管，然后通过加捻方法构筑具有螺旋状的间隔导电螺旋异质纤维束(30)，最后封装弹性聚合物，从而获得可拉伸的螺旋纱线自供电传感器件。该器件制备方法简单高效，通过加捻技术将介电常数不同的高分子与导电碳纳米管一体化构筑于超弹可拉伸的单根螺旋纱线内部，强化了器件的稳定性，并使其在拉伸、弯曲、扭转作用下都可通过自体摩擦产生电信号。螺旋纱线通过对人体各部位机械能的捕获并将其转换为电能，可作为智能传感单元对人体运动进行监测，编织后可作为可穿戴电子的供电设备，亦可对压力的空间分布进行识别，在生物监测、可穿戴智能电子领域拥有广阔的应用前景。

本发明垢一种具有表面间隔结构的导电螺旋纱线自供电传感器，其特征在于：所述自供电传感器为螺旋结构；

所述自供电传感器的截面结构是由聚合物纤维束(10A)、碳纳米管涂层(21)和疏水保护层(22)构成。

本发明的一种具有表面间隔结构的导电螺旋纱线自供电传感器的加工方法，其特征在于包括有下列步骤：