一種纖維電容器及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種纖維電容器及其制備方法，該制備方法包括：一、利用靜電紡技術(shù)在紗線(xiàn)表面沉積第一導(dǎo)電纖維膜；二、利用空心錠包纏紡技術(shù)在第一導(dǎo)電纖維膜外包裹絕緣層；三、重復(fù)上述步驟一在絕緣層外沉積第二導(dǎo)電纖維膜；以及四、重復(fù)上述步驟二在第二導(dǎo)電纖維膜外包裹外絕緣層。本發(fā)明纖維電容器的制備方法簡(jiǎn)單便捷，生產(chǎn)成本低，便于廣泛推廣應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種纖維電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及高分子纖維材料生產(chǎn)制備領(lǐng)域，特別是涉及一種纖維電容器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]擁有可穿戴電子器件的智能服裝已經(jīng)迅速地由幻想變成了現(xiàn)實(shí)，并將引領(lǐng)一個(gè)嶄新的電子時(shí)代。在可穿戴電子器件的智能服裝的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，可穿戴能量轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)的柔性器件成為制約這一代電子產(chǎn)品繼續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。然而，目前的柔性器件主要是基于平面柔性電極，通過(guò)疊層組裝成柔性器件。使用這種結(jié)構(gòu)使得制備的服裝不能透氣，集成到可穿戴服裝中使服裝的舒適度很差。圍繞這個(gè)問(wèn)題，國(guó)家納米科學(xué)中心魏志祥課題組與青島大學(xué)佘希林教授合作，利用濕法紡絲的方法首先制備出連續(xù)的單壁碳納米管/導(dǎo)電聚苯胺納米線(xiàn)功能復(fù)合纖維，然后以纖維為電極在其表面涂覆凝膠電解質(zhì)，將兩根纖維纏繞形成纖維超級(jí)電容器;另外，由新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)、中國(guó)清華大學(xué)以及美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(CWRU)的科學(xué)家聯(lián)合開(kāi)發(fā)的纖維電容器，是經(jīng)由含氧化酸、單壁碳奈米管、氧化石墨烯與乙二胺的溶液中產(chǎn)生，并合成含氮的石墨烯液，經(jīng)過(guò)一個(gè)軟性毛細(xì)管柱進(jìn)行輸送后再加熱6個(gè)小時(shí)而制備得來(lái)。上述這兩種電容器制備方法的制備工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大，并且納米纖維的直徑太細(xì)(納米級(jí))，無(wú)法利用現(xiàn)遙紡織手段進(jìn)行加工，進(jìn)而無(wú)法制備織物及服裝，難于滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種工藝簡(jiǎn)單、便于大批量生產(chǎn)的纖維電容器的制備方法，用于生產(chǎn)一種透氣性良好的可穿戴纖維電容器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中纖維電容器的制備工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大，且生產(chǎn)效率不高，難于滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)需要的問(wèn)題。
[0004]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0005]—種纖維電容器的制備方法，包括以下步驟:
[0006]—、利用靜電紡技術(shù)在紗線(xiàn)表面沉積第一導(dǎo)電纖維膜，包括:
[0007]配制靜電紡絲液并加注于靜電紡絲設(shè)置的注射器內(nèi)；
[0008]設(shè)置靜電紗絲設(shè)備參數(shù)包括:設(shè)置紗線(xiàn)與接收板的距離為I?2cm，高壓電源的電壓為10?20kv，噴頭距接收板的距離為15?20cm，注射器推送紡絲液的流速為2?3ml/h;
[0009]紡絲:控制紗線(xiàn)繞紗線(xiàn)軸心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度為0.5?2rmp，噴頭處的紡絲液在高壓電場(chǎng)的作用下形成纖維細(xì)絲，并向接收板方向移動(dòng)沉積于紗線(xiàn)表面形成導(dǎo)電纖維膜；
[0010]二、利用空心錠包纏紡技術(shù)在第一導(dǎo)電纖維膜外包裹絕緣層，包括:
[0011]將絕緣長(zhǎng)絲穿過(guò)空心錠，控制絕緣長(zhǎng)絲的移動(dòng)速度為和空心錠的轉(zhuǎn)速，在紗線(xiàn)上第一導(dǎo)電纖維膜外層包纏一層絕緣層；
[0012]三、重復(fù)上述步驟一在絕緣層外沉積第二導(dǎo)電纖維膜；
[0013]四、重復(fù)上述步驟二在第二導(dǎo)電纖維膜外包裹外絕緣層。
[0014]進(jìn)一步的，800?1200份的三氯甲烷、80?120份的聚環(huán)氧乙烷、30?50份的聚苯胺、15?23份的樟腦磺酸和I份的碳納米管;配置靜電紡絲液時(shí)對(duì)溶液進(jìn)行起聲分散0.5?1.5h，以及在超聲分散后進(jìn)行磁力攪拌8?15h。
[0015]進(jìn)一步的，所述靜電紡絲液按重量份計(jì)包括:800?1200份的三氯甲烷、10?140份的聚乳酸、35?50份的聚苯胺，15?25份的十二燒基苯磺酸和I份的納米級(jí)導(dǎo)電碳黑;配置靜電紡絲液時(shí)對(duì)溶液進(jìn)行起聲分散0.5?1.5h，以及在超聲分散后進(jìn)行磁力攪拌8?15h。
[0016]進(jìn)一步的，在步驟二中，所述絕緣長(zhǎng)絲的移動(dòng)速度為0.5?2cm/min，空心錠的轉(zhuǎn)速60?150rpmo
[0017]進(jìn)一步的，所述紗線(xiàn)為環(huán)錠紡100%純棉40支棉紗或者為環(huán)錠紡滌棉65/3532支棉紗。
[0018]進(jìn)一步的，所述靜電紗絲設(shè)備包括5支并排設(shè)置1ml的注射器，各注射器置于多通道實(shí)驗(yàn)室注射栗上，注射栗在導(dǎo)軌上做20cm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0019]進(jìn)一步的，在步驟二中，所述絕緣長(zhǎng)絲為聚丙烯，長(zhǎng)絲直徑15μπι，或者所述絕緣長(zhǎng)絲為聚酰亞胺，長(zhǎng)絲直徑ΙΟμπι。
[°02°]進(jìn)一步的，在步驟二中，所述絕緣層的厚度為8?16μηι。
[0021]進(jìn)一步的，在步驟四中，所述外絕緣層所使用的材質(zhì)為直徑為Imm的10支維綸短纖紗。
[0022]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明還提供的根據(jù)上述纖維電容器的制備方法制備得到的纖維電容器。
[0023]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明纖維電容器的制備方法通過(guò)靜電紡絲技術(shù)在紗線(xiàn)表面沉積第一和第二導(dǎo)電纖維層，以及通過(guò)紗線(xiàn)包纏技術(shù)在第一導(dǎo)電纖維層與第二導(dǎo)電纖維層之間設(shè)置絕緣層，從而形成紗線(xiàn)形電容器，本制備方法工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，并且所制備的纖維電容器具有電容量大、強(qiáng)力高、可編織性強(qiáng)、手感豐滿(mǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施方式中利用靜電紡技術(shù)在紗線(xiàn)表面沉積導(dǎo)電纖維的示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施方式中所制備得到的纖維電容器的截面圖。
[0026]標(biāo)號(hào)說(shuō)明:
[0027]1、注射栗;20、注射器;21、紡絲液;22、納米纖維；
[0028]30、高壓電源;40、接收板;50、紗線(xiàn)；110、紗線(xiàn)；
[0029]111、第一導(dǎo)電纖維膜;112、絕緣層;113、第二導(dǎo)電纖維膜。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實(shí)施方式并配合附圖詳予說(shuō)明。
[0031]實(shí)施例1
[0032]本實(shí)施例提供了一種利用靜電紡絲技術(shù)和紗線(xiàn)包纏技術(shù)來(lái)制備纖維電容器的方法，該制備方法包括以下具體步驟:
[0033](I)請(qǐng)參閱圖1，紗線(xiàn)50選擇為環(huán)錠紡100%純棉40支棉紗，將紗線(xiàn)50置于靜電紡比設(shè)備的接收板40中部前方Icm處，紗線(xiàn)50兩端由電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為Irmp，接收板40為導(dǎo)電不銹鋼板，規(guī)格40cm*l cm*2mm，接收板40接高壓電源30的負(fù)極并接地。
[0034](2)配制紡絲液:在50ml氯仿溶液中加入6g聚環(huán)氧乙烷，2g聚苯胺，Ig樟腦磺酸和
0.05g碳納米管，并用超聲分散Ih后再磁力攪拌12小時(shí)，制備成紡絲液。
[0035](3)所述靜電紡絲設(shè)備包括有5只1ml注射器20(圖中只畫(huà)了一個(gè)注射器)，每只注射器裝入1ml紡絲液21，注射器20置于多通道實(shí)驗(yàn)室注射栗上10，注射栗10在導(dǎo)軌上做20cm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，注射栗10控制紡絲液流速2ml/h，紡絲高壓電源30的電壓為15kv，注射器20的噴頭距離接收板40為18cm，在高壓電場(chǎng)的作用下噴頭噴出的紡絲液形成納米纖維22，靜電紡絲時(shí)間為5h。請(qǐng)參閱圖2，此時(shí)紗線(xiàn)110外包覆第一層導(dǎo)電纖維膜111，膜厚2μπι，導(dǎo)電率1.35S/cm。
[0036](4)絕緣長(zhǎng)絲為聚酰亞胺，長(zhǎng)絲直徑ΙΟμπι，紗線(xiàn)穿過(guò)空心錠，紗線(xiàn)移動(dòng)速度lcm/min，空心錠轉(zhuǎn)速120rpm?？招腻V包纏工藝結(jié)束后，第一層導(dǎo)電纖維膜111外緊密包纏一層10μπι厚度的絕緣層112。
[0037](5)將包覆有導(dǎo)電纖維層和絕緣層的紗線(xiàn)，按照(1)-(3)步驟使絕緣層外再包覆一層導(dǎo)電纖維層，即第二導(dǎo)電纖維膜113。此時(shí)即制備出纖維電容器，此纖維電容器為兩層導(dǎo)電層內(nèi)夾一層絕緣層。
[0038](6)為了使纖維電容器能應(yīng)用于可穿戴織物或服裝上，需要對(duì)纖維電容器外包纏一層長(zhǎng)絲或紗線(xiàn)，重復(fù)步驟(4)可使纖維電容器具有可編織性，可制備成針織物或機(jī)織物。
[0039]實(shí)施例2
[0040]提供了一種纖維電容器的制備方法，包括以下具體步驟:
[0041 ] (I)紗線(xiàn)為環(huán)錠紡滌棉65/35 32支棉紗，置于靜電紡絲設(shè)備的接收板中部前方
1.5cm處，紗線(xiàn)兩端由電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為0.5rmp，接收板為導(dǎo)電不銹鋼板，規(guī)格40cm*0.5cm*2mm，接收板接高壓電源負(fù)極并接地。
[0042I (2)配制紡絲液:在50ml氯仿溶液中加入7g聚乳酸，2.5g聚苯胺，Ig十二燒基苯磺酸和0.05g納米級(jí)導(dǎo)電碳黑，用超聲分散2h后用磁力攪拌12小時(shí)，制備成紡絲液。
[0043](3)所述靜電紡絲設(shè)備包括有5只1ml注射器，在每只注射器裝入1ml紡絲液，將注射器置于多通道實(shí)驗(yàn)室注射栗上，注射栗在導(dǎo)軌上做20cm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，注射栗控制紡絲液流速3ml/h，紡絲設(shè)備的高壓電源的電壓15kv，噴頭距離接收板20cm，靜電紡絲時(shí)間為3.4h。此時(shí)紗線(xiàn)外包覆第一層導(dǎo)電纖維膜，膜厚2.7μπι，導(dǎo)電率0.86S/cm。
[0044](4)絕緣長(zhǎng)絲為聚丙烯，長(zhǎng)絲直徑15μπι，紗線(xiàn)穿過(guò)空心錠，紗線(xiàn)移動(dòng)速度lcm/min，空心錠轉(zhuǎn)速80rpm?？招腻V包纏工藝結(jié)束后，第一層導(dǎo)電纖維膜外緊密包纏一層15μπι厚度的絕緣層。
[0045](5)將包覆有導(dǎo)電纖維層和絕緣層的紗線(xiàn)，置于接收板中部前方1.5cm處，紗線(xiàn)兩端由電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為0.5rmp，接收板為導(dǎo)電不銹鋼板，規(guī)格40cm*0.5cm*2mm，接收板接高壓電源負(fù)極并接地。
[0046](6)50ml氯仿溶液中加入6g聚環(huán)氧乙燒，2g聚苯胺，Ig樟腦磺酸和0.05g碳納米管，超聲分散Ih后磁力攪拌12小時(shí)，制備成紡絲液。
[0047](7)5只1ml注射器，每只注射器裝入1ml紡絲液，注射器置于多通道實(shí)驗(yàn)室注射栗上，注射栗在導(dǎo)軌上做20cm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，注射栗控制紡絲液流速2ml/h，紡絲電壓15kv，噴頭距離接收板18cm，靜電紡絲時(shí)間為5h。此時(shí)紗線(xiàn)外包覆第一層導(dǎo)電纖維膜，膜厚2μπι，導(dǎo)電率1.35S/cm。此時(shí)即制備出纖維電容器，此纖維電容器為兩層導(dǎo)電層內(nèi)夾一層絕緣層。
[0048](8)為了使纖維電容器能應(yīng)用于可穿戴織物或服裝上，需要對(duì)纖維電容器外包纏一層長(zhǎng)絲或紗線(xiàn)，紗線(xiàn)為10支維綸短纖紗，直徑1mm，紗線(xiàn)穿過(guò)空心錠，紗線(xiàn)移動(dòng)速度1cm/min，空心錠轉(zhuǎn)速120rpm。包纏后可使纖維電容器具有可編織性，可制備成針織物或機(jī)織物。
[0049]本專(zhuān)利所述的纖維電容器是經(jīng)由兩次使用靜電紡技術(shù)沉積導(dǎo)電納米纖維及兩次使用紗線(xiàn)包纏技術(shù)制備的，這種纖維電容器具有電容量大、強(qiáng)力高、可編織性強(qiáng)、手感豐滿(mǎn)等特點(diǎn)，有望能編織成可穿戴電子織物，并用于制作透氣性良好的可穿戴能量存儲(chǔ)器件，推動(dòng)可穿戴電子器件的進(jìn)一步發(fā)展。并具有其他潛在的功能應(yīng)用，包括電池、太陽(yáng)能電池、生物燃料電池，以及用于可撓式與可穿戴式光電系統(tǒng)的感測(cè)器等。
[0050]本發(fā)明的纖維電容器具有大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的潛力，電容器電容可隨紗線(xiàn)長(zhǎng)度的變長(zhǎng)而增加，且該電容可以制備成織物或服裝，可實(shí)現(xiàn)智能可穿戴服裝的設(shè)計(jì)。本發(fā)明制備纖維電容器的方法，具有生產(chǎn)成本低，方法便捷，具有良好的推廣價(jià)值。
[0051]以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種纖維電容器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 一、利用靜電紡技術(shù)在紗線(xiàn)表面沉積第一導(dǎo)電纖維膜，包括: 配制靜電紡絲液并加注于靜電紡絲設(shè)置的注射器內(nèi)； 設(shè)置靜電紗絲設(shè)備參數(shù)包括:設(shè)置紗線(xiàn)與接收板的距離為I?2cm，高壓電源的電壓為10?20kv，噴頭距接收板的距離為15?20cm，注射器推送紡絲液的流速為2?3ml/h; 紡絲:控制紗線(xiàn)繞紗線(xiàn)軸心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度為0.5?2rmp，噴頭處的紡絲液在高壓電場(chǎng)的作用下形成纖維細(xì)絲，并向接收板方向移動(dòng)沉積于紗線(xiàn)表面形成導(dǎo)電纖維膜； 二、利用空心錠包纏紡技術(shù)在第一導(dǎo)電纖維膜外包裹絕緣層，包括: 將絕緣長(zhǎng)絲穿過(guò)空心錠，控制絕緣長(zhǎng)絲的移動(dòng)速度為和空心錠的轉(zhuǎn)速，在紗線(xiàn)上第一導(dǎo)電纖維膜外層包纏一層絕緣層； 三、重復(fù)上述步驟一在絕緣層外沉積第二導(dǎo)電纖維膜； 四、重復(fù)上述步驟二在第二導(dǎo)電纖維膜外包裹外絕緣層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維電容器的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲液按重量份計(jì)包括:800?1200份的三氯甲烷、80?120份的聚環(huán)氧乙烷、30?50份的聚苯胺、15?23份的樟腦磺酸和I份的碳納米管;配置靜電紡絲液時(shí)對(duì)溶液進(jìn)行起聲分散0.5?1.5h，以及在超聲分散后進(jìn)行磁力攪拌8?15h。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維電容器的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲液按重量份計(jì)包括:800?1200份的三氯甲烷、10?140份的聚乳酸、35?50份的聚苯胺，15?25份的十二烷基苯磺酸和I份的納米級(jí)導(dǎo)電碳黑；配置靜電紡絲液時(shí)對(duì)溶液進(jìn)行起聲分散0.5?1.5h，以及在超聲分散后進(jìn)行磁力攪拌8?15h。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維電容器的制備方法，其特征在于，在步驟二中，所述絕緣長(zhǎng)絲的移動(dòng)速度為0.5?2cm/min，空心錠的轉(zhuǎn)速60?150rpm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維電容器的制備方法，其特征在于，所述紗線(xiàn)為環(huán)錠紡100%純棉40支棉紗或者為環(huán)錠紡滌棉65/35 32支棉紗。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維電容器的制備方法，其特征在于，所述靜電紗絲設(shè)備包括5支并排設(shè)置1ml的注射器，各注射器置于多通道實(shí)驗(yàn)室注射栗上，注射栗在導(dǎo)軌上做20cm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維電容器的制備方法，其特征在于，在步驟二中，所述絕緣長(zhǎng)絲為聚丙烯，長(zhǎng)絲直徑15μπι，或者所述絕緣長(zhǎng)絲為聚酰亞胺，長(zhǎng)絲直徑ΙΟμπι。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維電容器的制備方法，其特征在于，在步驟二中，所述絕緣層的厚度為8?16μηι。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維電容器的制備方法，其特征在于，在步驟四中，所述外絕緣層所使用的材質(zhì)為直徑為Imm的10支維綸短纖紗。10.—種纖維電容器，其特征在于，該纖維電容器是根據(jù)權(quán)利要求1?9任一所述纖維電容器的制備方法制備得到。
【文檔編號(hào)】H01G4/008GK105977020SQ201610452480
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】嚴(yán)濤海
【申請(qǐng)人】閩江學(xué)院