一种多功能发电大棚布及其制备方法
技术领域
本发明涉及了一种农业大棚布的制备方法，涉及一种多功能发电大棚布的制备方法。
背景技术
随着当今科技的迅速发展和物联网技术的日趋完善，物联网技术越来越广泛地应用于传统农业领域中。在农业物联网系统中，农业信息的获取尤为重要，一般使用传感系统来进行温度、湿度、土壤酸碱度等环境信息的获取，是整个物联网形成的核心。然而农业物联网作为整个物联网中心最有潜力但是最难完善的一块领域，其整个农业信息传感系统的电力驱动一直是一大核心问题以及难点。田间地头铺设电缆线及其后期维护的高费用以及如灵活性、适应性、便捷性、安全性等方面的不足，影响了传感网络的大规模使用，此外电池续航能力有限，不易更换且污染环境也是一大难题。
农业环境存在多种恶劣环境有时会对农作物产生不利的影响，包括连续降雨天气、狂风、烈日等，基于此，农用纺织品被广泛用于园艺，农业，牧场和其他农业活动中，不仅涉及防雨织物，覆盖，防冰，遮阳网，还包括草，虫的防护罩。因此，农用纺织品因这些优异的性能不仅为自然条件下的农作物和农场动物提供了强制性保护，还可以提高农产品的质量和产量，减少损害和损失，此外，除草剂和农药的使用也相应减少。
2012年由王中林教授提出的摩擦纳米发电机由于其结构简单、易设计、发电效率高、成本低等优点近年来被广泛研究。利用摩擦起电和静电感应的原理，摩擦纳米发电机能够有效地从环境中的不规则和低频机械能中收集能量，因此提供了一种新的有效模式来利用农业环境中的能源。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于将摩擦纳米发电机原理引入农用纺织品中，构建一种发电大棚布，用于农业环境中能源的收集。
本发明的技术方案是：
一、一种多功能发电大棚布：
主要由两种纱线构成，一种是摩擦给电子纱线，另一种是摩擦得电子纱线;以摩擦得电子纱线作为摩擦电负层，摩擦得电子纱线包括基底和涂覆在基底上的两层电性材料，两层电性材料分别位于基底表面向外的导电材料和摩擦电负性材料，导电材料位于摩擦电负性材料和基底之间。
具体是由摩擦给电子纱线和摩擦得电子纱线的两种纱线编织构成。
编织方式采用平织、三针、两针、六针、绞织等多种编织样式。
所述的摩擦给电子纱线采用很多种市面上销售的纱线材料，包括聚酯纤维、棉纱、醋酸纤维、竹纤维、亚麻、涤纶等。
所述的基底采用聚酯纤维、棉纱、醋酸纤维、竹纤维、亚麻、涤纶等纱线材料中的一种。
所述的导电材料采用银纳米线、碳纳米管、单壁碳纳米角、石墨烯等材料，
所述的摩擦电负性材料采用聚四氟乙烯(PTFE)、硅胶、橡胶、树脂、聚氨酯等材料。
二、一种多功能发电大棚布的制备方法：
首先在基底的纱线表面涂覆一层导电材料作为电极，接着再在导电材料外表面上涂覆一层摩擦电负性材料，制备获得摩擦得电子纱线;最后再将摩擦给电子纱线和摩擦得电子纱线的两种纱线编织制备成大棚布。
方法具体为：
首先，在基底的纱线表面涂覆一层导电材料，真空干燥箱烘干;
接着，将摩擦电负性材料均匀涂覆在涂覆了导电材料的纱线表面，纱线一端留有部分不涂覆摩擦电负性材料，使得该部分涂覆了导电材料的表面形成导电端，无需涂覆，作为电极接出端，将纱线放入烘箱中经过40-70℃烘5-30min 后得到了摩擦得电子纱线;
最后，将摩擦得电子纱线进行编织得到了单纱线结构的编织物，再将摩擦给电子纱线和摩擦得电子纱线进行混合编织得到双纱线结构编织物。
以聚氨酯Ecoflex为例，称取AB型硅胶，其中A:B体积比为1:1，混合均匀作为摩擦电负性材料。
本发明的大棚布由两种纱线织就，利用摩擦纳米发电机的原理，能够相比现有技术更高效地同时收集农业环境中多种能源，包括机械能、风能和雨滴能等众多能源。
本发明构建一种双纱线结构的发电大棚布，包括摩擦得电子纱线和摩擦给电子纱线。当下雨时，雨滴作为一种摩擦给电子材料，会与摩擦得电子纱线发生电子交换，局部的电场分布将会改变，同时由于雨滴从高空落下，存在一个势能，当雨滴落到大棚布上的时候，该势能会使得大棚布内部两种纱线结构之间产生形变，导致两种纱线之间也会发生电子转移，从而产生局部的电势差。因此该发电大棚布在下雨时能同时收集雨滴能和雨滴势能。另外在不下雨的时候，该大棚布还能收集刮风，冰雹等一切可以引起大棚布发生形变的机械力。
本发明与现有技术相比：现有技术中的发电大棚布为单纱线结构，只能收集下雨时的雨滴能，而本发明的双纱线结构在下雨时不仅收集了雨滴能，还收集了雨滴势能，大大提高了收集效率。同时，在没有下雨的情况下，本发明的大棚布还能收集刮风，冰雹等一切可以引起大棚布发生形变的机械力。本发明将普通纱线功能化，制备了一种纱线结构的摩擦发电机，并结合多结构纱线进行编织构建了发电大棚布用于农业环境中多种能源的更高效地收集。
首先将大棚布制备成摩擦纳米发电机，其次两种摩擦特性不同的纱线结构在大棚布的应用中也是首次，最后该发电大棚布可以用于收集多种能源，包括下雨，刮风，冰雹等一切可以引起大棚布发生形变的机械力。
附图说明
图1为本发明中采用平织法用两种不同纱线织就的双纱线结构大棚布示意图;
图2为本发明中双纱线结构大棚布与单纱线结构的编织网收集雨滴能的输出性能对比图，图中A为单纱线结构的编织网输出电压，B为双纱线结构的大棚布输出电压;
图3为本发明中大棚布收集风能的输出性能图，图中A为输出电压，B为输出电流;
图4为本发明中大棚布收集外部机械能的输出性能图，图中A为输出电压， B为输出电流。
图5为本发明和现有方法收集雨滴能的结果情况图，图5(a)是本发明的实时收集结果图，图5(b)是现有论文方法的实时收集结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
摩擦发电机可以有四种工作模式，垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式。
本发明中的发电大棚的工作方式为单电极工作模式，将上述的两种纱线织就的发电大棚布中摩擦得电子纱线，也就是表面涂覆了电极和摩擦电负性材料的纱线，其中间层电极部分接地，这样就构成了摩擦纳米发电机。
本发明发电大棚布有两种发电机理和过程是：
当下雨时，由于雨水与摩擦得电子纱线发生电子转移，局部的电场分布将会改变，同时由于大棚布的编织结构，下雨时雨滴对大棚布的外力使得大棚布内部两种纱线结构之间产生形变，导致两种纱线之间也会发生电子转移，从而产生局部的电势差。雨滴与得电子纱线以及得电子纱线与给电子纱线之间的作用都会改变局部的电场分布，这样摩擦得电子纱线中间层的电极部分和大地之间会发生电子流动，从而平衡电极上的电势变化。
当大棚布受到外部作用，包括风吹、机械力等，产生形变时，摩擦得电子纱线会与摩擦给电子纱线发生电子转移，从而改变局部的电场分布，这样同样也会导致摩擦得电子纱线的电极部分(中间层)与大地发生电子流动。
测试纱线的能量收集性能，模拟其在农业环境中的应用场景。具体方式如下：将摩擦得电子纱线未经涂覆Ecoflex的导电端接地，用小风扇模拟农业环境中的风，用滴管加水模拟下雨的场景，用手指轻轻接触模拟大棚受到的机械应力如冰雹等。
本发明实施实例
实例1
首先是摩擦得电子纱线的制备，将14wt%的碳纳米管分散液均匀涂覆在聚酯纤维表面，真空干燥箱60℃烘15min得到导电纱线，然后将Ecoflex00-30的 AB型硅胶以A:B体积比为1:1混合均匀后，均匀涂覆在导电纱线表面，纱线一端留有部分导电端无需涂覆，作为电极接出端。之后将纱线放入烘箱中经过60℃烘20min后便得到了摩擦得电子纱线。将该纱线采用平织的编织方法进行单独编织得到单纱线结构的编织物，同时将该纱线与聚酯纱线采用同样的编织方法编织，得到一块双纱线结构的编织物(如图1)。将这两块编织物用于接下来的电学测试。
实例2
将上述两块编织物作为大棚布用于雨滴能的收集。首先在亚克力板中央裁出一个5*5cm的正方形孔洞，并将发电大棚布固定在亚克力板中央的孔洞上，亚克力板放置于烧杯上。用滴管在大棚布上方加水模拟下雨的场景，同时测量大棚布产生的电信号。从图2中可以看出，当有水滴时，大棚布产生明显的电信号，说明大棚布可以收集农业环境中的雨滴能，同时对比两块大棚布的电压信号，发现本研究中提出的双纱线结构产生的电压高于单纱线结构，表明双纱线结构在下雨时不仅收集雨滴能，还收集雨滴的势能，提高了能量转换效率。
实例3
将上述双纱线结构编织物作为大棚布用于风能的收集。在亚克力板中央裁出一个5*5cm的正方形孔洞，并将发电大棚布固定在亚克力板中央的孔洞上，亚克力板放置于烧杯上。用手持式小风扇对着大棚布吹，模拟实际环境中的风吹现象。从图3可以看出，大棚布产生明显的电压信号和电流信号，说明大棚布可以收集农业环境中的风能。
实例4
将上述双纱线结构编织物作为大棚布用于环境中机械能的收集。在亚克力板中央裁出一个5*5cm的正方形孔洞，并将发电大棚布固定在亚克力板中央的孔洞上，亚克力板放置于烧杯上。用手指轻轻触摸大棚布，使之发生轻微形变，以此来模拟大棚受到机械应力如冰雹、下雪等场景。
从图4可以看出，大棚布产生明显的电压信号和电流信号，说明大棚布可以收集农业环境中的机械能。
具体实施中，本发明和现有方法还在相同实验条件下进行雨滴能量收集的实施，对比图5(a)和图5(b)可见，本发明提高了能量收集总量的20%。
