本發(fā)明屬于熱電材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于靜電紡絲的溫差自發(fā)電凝膠纖維及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著人工智能的高速發(fā)展和智能終端的普及，可穿戴電子設(shè)備呈現(xiàn)出巨大的市場前景。柔性傳感器作為人造柔性電子器件的核心部分，在人體臨床診斷、健康評估、健康監(jiān)控、虛擬電子、柔性觸摸屏、柔性電子皮膚，甚至工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域擁有很大的應(yīng)用潛力。可穿戴電子設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題在于為包含柔性傳感器在內(nèi)的各種集成電子器件供電，現(xiàn)有技術(shù)多通過外接電源供電，這加重了可穿戴電子設(shè)備的負(fù)擔(dān)，而且難以滿足復(fù)雜集成的智能可穿戴織物。因此，亟需提供一種具有高效自發(fā)電功能的織物，為可穿戴電子設(shè)備的供電提供有效途徑。

2、熱電材料(也稱溫差發(fā)電材料，thermoelectric?materials)是一類能夠利用環(huán)境溫度差獲得電能的功能材料。塞貝克(seebeck)系數(shù)是研究熱電材料非常重要的一個(gè)參數(shù)，它用來衡量材料在一定溫差下產(chǎn)生的熱電壓。將熱電材料與紡織材料結(jié)合在一起，制成熱電復(fù)合紡織材料，能夠利用人體與周圍環(huán)境間的溫度差，實(shí)現(xiàn)電能的持續(xù)收集，可以作為柔性可穿戴式能源提供裝置。熱電材料本身具有體積小、安全可靠、無污染、無噪聲、可以持續(xù)收集能源的特點(diǎn)，對穿戴者無任何約束，而且不會(huì)受到外界環(huán)境比如光照、濕度、風(fēng)力的限制，適合給各種低能耗電子設(shè)備提供電能。這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)熱電材料的可穿戴化，還可以實(shí)現(xiàn)紡織材料的功能化，符合節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的大趨勢。

3、現(xiàn)有的纖維基熱電功能材料雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自發(fā)電，但自發(fā)電輸出的電壓值有限，很難達(dá)到柔性傳感器的工作電壓以供其運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其是生化類傳感器，對工作電壓要求較高，一旦達(dá)不到其所需的工作電壓，就難以催化產(chǎn)生生化信號(hào)-電信號(hào)的轉(zhuǎn)變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、離子型熱電材料(例如聚合物電解質(zhì)和離子液體)具有比半導(dǎo)體熱電材料高幾個(gè)數(shù)量級的seebeck系數(shù)，能夠獲得較高的開路電壓，同時(shí)具有電能存儲(chǔ)的功能。電解質(zhì)中正和負(fù)離子之間的熱泳遷移率差異是此類材料由熱產(chǎn)生電的來源，因此在熱梯度下有效差異化正負(fù)離子的選擇性遷移，是進(jìn)一步提高離子型熱電材料seebeck系數(shù)的關(guān)鍵所在。通過靜電紡絲技術(shù)可以制備高度取向的納米纖維，當(dāng)電解質(zhì)滲透到纖維中并施加軸向溫度梯度時(shí)，納米纖維之間形成的納米通道與離子-聚合物相互作用的協(xié)同效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高選擇性離子擴(kuò)散，從而在一定程度上提升其seebeck系數(shù)。

2、針對現(xiàn)有技術(shù)不足，針對熱電材料應(yīng)用需求，本發(fā)明將以聚偏氟乙烯pvdf為高分子原料，配制成一定質(zhì)量濃度的紡絲前驅(qū)液，并注入到針管中。在靜電紡絲過程中，電紡射流從噴絲頭噴出后立即進(jìn)入漏斗狀收集裝置，并沿氣流方向形成定向纖維。利用漏斗的旋轉(zhuǎn)，卷繞器的拉伸和加捻，高取向性的納米纖維束可以形成連續(xù)紗線。通過調(diào)整靜電紡絲參數(shù)(進(jìn)液速度、紡絲電壓、接收距離)，優(yōu)化漏斗收集器、卷繞器和噴絲頭的位置，可以更好地控制納米纖維和紗線直徑。

3、將收集的納米纖維紗線浸泡在不同的離子液體溶液中一段時(shí)間后取出，以獲得導(dǎo)電的凝膠纖維，進(jìn)而通過編織可以形成熱電織物。

4、有益效果：本發(fā)明采用聚偏氟乙烯作為聚合物原料，通過配置漏斗狀收集裝置的靜電紡絲設(shè)備制得高取向性的納米纖維集束及紗線，并浸泡在不同離子液體溶液中后獲得凝膠纖維，進(jìn)而通過編織可以形成熱電織物。通過靜電紡絲技術(shù)可以制備高度取向的納米纖維，當(dāng)電解質(zhì)滲透到纖維中并施加軸向溫度梯度時(shí)，納米纖維之間形成的納米通道與離子-聚合物相互作用的協(xié)同效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高選擇性離子擴(kuò)散，從而在一定程度上提升其seebeck系數(shù)。

技術(shù)特征：

1.一種納米纖維紗線的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于，所述溶液的濃度為8wt％。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述制備方法，其特征在于，將所述溶液分別注入2個(gè)10ml的針管中，針頭大小為7g；把針管置于兩側(cè)的推進(jìn)泵上，分別設(shè)定推進(jìn)速度為0.7ml/h；兩針頭與漏斗的距離為13cm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述制備方法，其特征在于，進(jìn)行紡絲時(shí)，溫度為25℃，濕度為50％。

5.利用權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述制備方法制備得到的納米纖維紗線。

6.利用權(quán)利要求5所述納米纖維紗線制備得到的導(dǎo)電凝膠纖維。

7.權(quán)利要求6所述導(dǎo)電凝膠纖維的制備方法，其特征在于，包括將所述納米纖維紗線浸泡在離子液體溶液中，取出后得所述導(dǎo)電凝膠纖維。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述制備方法，其特征在于，所述離子液體溶液包括離子液體emim:dca的丙酮溶液、emim:tfsi的丙酮溶液、emim:bf4的丙酮溶液或溶解有na:dca的emim:dca丙酮溶液。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述制備方法，其特征在于，在所述離子液體溶液中浸泡10分鐘。

10.利用權(quán)利要求6所述導(dǎo)電凝膠纖維編織形成的熱電織物。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于靜電紡絲的溫差自發(fā)電凝膠纖維及其制備方法，屬于熱電材料領(lǐng)域。本發(fā)明針對熱電材料應(yīng)用需求，以聚偏氟乙烯PVDF為高分子原料，配制成一定質(zhì)量濃度的紡絲前驅(qū)液，并注入到針管中。在靜電紡絲過程中，電紡射流從噴絲頭噴出后立即進(jìn)入漏斗狀收集裝置，并沿氣流方向形成定向纖維。利用漏斗的旋轉(zhuǎn)，卷繞器的拉伸和加捻，高取向性的納米纖維束可以形成連續(xù)紗線。通過調(diào)整靜電紡絲參數(shù)，優(yōu)化漏斗收集器、卷繞器和噴絲頭的位置，可以更好地控制納米纖維和紗線直徑。將收集的納米纖維紗線浸泡在不同的離子液體溶液中一段時(shí)間后取出，以獲得導(dǎo)電的凝膠纖維，進(jìn)而通過編織可以形成熱電織物，在一定程度上提升其Seebeck系數(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：周曉燕
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南方科技大學(xué)臺(tái)州研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21