CN104626433A - 聚二甲基硅氧烷膜及其制备方法与应用其的摩擦发电机 - Google Patents

聚二甲基硅氧烷膜及其制备方法与应用其的摩擦发电机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，包括：将聚乙烯醇加入到蒸馏水中，然后在90-98℃条件下搅拌30-35min溶解，之后，将其在常温下静置，得到聚乙烯醇溶液；将淀粉加入到蒸馏水中，在78-85℃条件下搅拌糊化30-35min，得到淀粉糊化产物；将聚乙烯醇溶液加入到淀粉糊化产物中，同时加入交联剂溶液，搅拌后静置；在硅模板上铺膜，在75-85℃条件下干燥成膜交联，得到水溶性牺牲层模板，之后将水溶性牺牲层模板与硅模板分离；在水溶性牺牲层模板上涂聚二甲基硅氧烷浆料，抽真空，固化成型，在水中分离聚二甲基硅氧烷膜。本发明还提供了该方法制备的聚二甲基硅氧烷膜制成的摩擦发电机。本发明制备聚二甲基硅氧烷膜的方法成本低廉、操作简便，可实现批量化生产。

Description

聚二甲基硅氧烷膜及其制备方法与应用其的摩擦发电机
技术领域
本发明涉及聚合物薄膜领域，具体地，涉及用于摩擦发电机的聚二甲基硅氧烷膜及其制备方法。
背景技术
聚二甲基硅氧烷膜已经被用于各个领域，特别是已经被应用于摩擦发电机的制备中，但是聚二甲基硅氧烷膜制备工艺较复杂，目前的膜分离方法大部分限于机械剥离，这样极容易损坏聚二甲基硅氧烷膜，不适合批量生产。而现有的采用牺牲层模板法制备的具有微纳结构的聚二甲基硅氧烷膜所需的材料的价格普遍较高，而且制作的牺牲层模板的强度和韧性不理想，使得在高温固化聚二甲基硅氧烷过程时模板变形，影响成膜效果，从而也进一步影响了聚二甲基硅氧烷膜在摩擦发电机中的应用，并且也不利于摩擦发电机的制备及工业化生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，以及由该方法制备的聚二甲基硅氧烷膜。
一方面，本发明提供了一种聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，该方法包括：
（1）将聚乙烯醇加入到蒸馏水中，然后在90-98℃条件下，搅拌30-35min溶解，溶解后，将其在常温条件下静置，得到聚乙烯醇溶液；
（2）将淀粉加入到蒸馏水中，在78-85℃条件下，搅拌糊化30-35min，得到淀粉糊化产物；
（3）将步骤（1）所得聚乙烯醇溶液加入到步骤（2）所得淀粉糊化产物中，同时加入交联剂溶液，搅拌后静置；
其中，按干物质的质量计，聚乙烯醇、淀粉、交联剂三者的质量比为21-25:8-17:0.9-1.5；
（4）在硅模板上铺膜，在75-85℃条件下干燥成膜交联，得到水溶性牺牲层模板，之后将水溶性牺牲层模板与硅模板分离；以及
（5）在水溶性牺牲层模板上涂聚二甲基硅氧烷浆料，抽真空，固化成型，之后在水中分离聚二甲基硅氧烷膜。
前述的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，按干物质的质量计，所述聚乙烯醇、淀粉、交联剂三者的质量比为25:15:1。
前述的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，所述交联剂是乙二醛、戊二醛、硼砂、磷酸、丙三醇、柠檬酸、丁烯二酸酐、三氯氧磷、丙烯醛或环氧氯丙烷。
前述的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，所述聚二甲基硅氧烷浆料通过将固化剂加入到聚二甲基硅氧烷中混合均匀而得到。
前述的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，步骤（5）中，所述聚二甲基硅氧烷浆料是在50-100℃条件下固化成型的。
前述的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，步骤（4）中得到的水溶性牺牲层模板的拉伸强度为33-38MPa。
另一方面，本发明提供了一种聚二甲基硅氧烷膜，采用前述的方法制成。
另一方面，本发明提供了一种摩擦发电机，包括依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，和第二电极层，其中所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面朝向所述第二电极层设置，所述第一高分子聚合物绝缘层所用材料是前述的方法制成的聚二甲基硅氧烷膜，所述第一电极层和所述第二电极层为所述摩擦发电机的两个输出端。
前述的摩擦发电机，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二电极层之间形成摩擦界面。
前述的摩擦发电机，所述摩擦发电机进一步包括设置在所述第二电极层和所述第一高分子聚合物绝缘层之间的第二高分子聚合物绝缘层，其中所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层之间形成摩擦界面。
前述的摩擦发电机，所述第二高分子聚合物绝缘层所用材料是前述的方法制成的聚二甲基硅氧烷膜。
另一方面，本发明提供了一种摩擦发电机，所述摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，居间薄膜层，第二高分子聚合物绝缘层以及第二电极层，其中所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述居间薄膜层为聚合物薄膜层，设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面之间，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜层中的至少一层，和/或，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜层中的至少一层所用材料是前述的方法制成的聚二甲基硅氧烷膜，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜层之间形成摩擦界面，和/或，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜层之间形成摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层为所述摩擦发电机的两个输出端。
另一方面，本发明提供了一种摩擦发电机，所述摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，居间电极层，第二高分子聚合物绝缘层以及第二电极层，其中所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述居间电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面之间，所述第一高分子聚合物绝缘层和/或所述第二高分子聚合物绝缘层所用材料是前述的方法制成的聚二甲基硅氧烷膜，且所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间电极层之间形成摩擦界面，和/或，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间电极层之间形成摩擦界面，所述居间电极层，所述第一电极层和所述第二电极层中的任意两者或三者形成所述摩擦发电机的输出端。
前述的摩擦发电机，当第一高分子聚合物绝缘层，或居间薄膜层，或第二高分子聚合物绝缘层不采用前述的方法制成的聚二甲基硅氧烷膜时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维素海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
前述的摩擦发电机，第一电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；第二电极层所用材料是金属或合金；其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
前述的摩擦发电机，第一电极层和第二电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
前述的摩擦发电机，所述居间电极层为金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
前述的摩擦发电机，形成摩擦界面的两个面中的至少一个面上设有微纳结构。
采用本发明的技术方案，至少具有如下有益效果：本发明制备聚二甲基硅氧烷膜的方法与已知牺牲层模板法相比，价格低廉，由于所采用的材料是淀粉和聚乙烯醇，相对于已知的琼脂糖等材料，成本节省了很多。此外，已知的牺牲层模板，强度和韧性不理想，或者很脆，或者很软，容易变形，或者在高温固化聚二甲基硅氧烷过程中变形。而本发明通过研究交联剂，将一定比例的淀粉与聚乙烯醇交联，制备了强度韧性均合适的复合水溶性膜，用作制备聚二甲基硅氧烷膜的牺牲层模板。因此，本发明制备聚二甲基硅氧烷膜的方法成本低廉、操作简便，并且可以批量制备聚二甲基硅氧烷膜，进而使摩擦发电机的制备更加容易，更适合规模化生产。
附图说明
图1为本发明聚二甲基硅氧烷膜制备方法的示意图。
图2为本发明摩擦发电机一种具体实施方式的立体结构示意图。
图3为本发明图2摩擦发电机的剖面结构示意图。
图4为本发明摩擦发电机另一种具体实施方式的立体结构示意图。
图5为本发明图4摩擦发电机的剖面结构示意图。
图6为本发明摩擦发电机另一种具体实施方式的立体结构示意图。
图7为本发明图6摩擦发电机的立体结构示意图。
图8为本发明摩擦发电机另一种具体实施方式的立体结构示意图。
图9为本发明图8摩擦发电机的立体结构示意图。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明,但本发明并不限于此。
本发明通过研究交联剂、淀粉与聚乙烯醇之间的配比，制备了强度韧性均合适的复合水溶性膜，用作制备聚二甲基硅氧烷膜的牺牲层模板，成本低廉、操作简便，且可批量制备聚二甲基硅氧烷膜。
首先，结合图1对本发明的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法进行详细说明，该方法包括：
（1）将聚乙烯醇加入到蒸馏水中，然后在90-98℃条件下，搅拌30-35min溶解，溶解后，将其在常温条件下静置，得到聚乙烯醇溶液。例如在一个优选的实施方式中，将聚乙烯醇加入到蒸馏水中，然后至于95℃水浴锅中，搅拌30min溶解，溶解后，将其在常温条件下静置，得到聚乙烯醇溶液。
（2）将淀粉加入到蒸馏水中，在78-85℃条件下，搅拌糊化30-35min，得到淀粉糊化产物。
（3）将步骤（1）所得聚乙烯醇溶液加入到步骤（2）所得淀粉糊化产物中，同时加入交联剂溶液（例如交联剂水溶液），搅拌后静置；其中，所述交联剂是乙二醛、戊二醛、硼砂、磷酸、丙三醇、柠檬酸、丁烯二酸酐、三氯氧磷、丙烯醛或环氧氯丙烷。
按干物质的质量计，聚乙烯醇、淀粉、交联剂三者的质量比为21-25:8-17:0.9-1.5，优选为25:15:1。
（4）在硅模板上铺膜，在75-85℃干燥成膜交联，得到水溶性牺牲层模板，之后将水溶性牺牲层模板与硅模板分离。以及
（5）在水溶性牺牲层模板上涂聚二甲基硅氧烷（PDMS）浆料，抽真空，固化成型，之后在水中分离从而得到本发明的聚二甲基硅氧烷膜。其中，所述聚二甲基硅氧烷浆料通过将固化剂加入到聚二甲基硅氧烷中混合均匀而得到，常规市售的固化剂（例如，硫化剂）均可用于本发明中，例如，道康宁184产品的聚二甲基硅氧烷与固化剂，其中聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为8:1。其中，对步骤（4）得到的水溶性牺牲层模板的拉伸强度进行测量，具体地，将膜裁切成10cm×2cm的长条，用拉伸强度测定仪测定，拉伸速度为100mm/min，记录此时的拉伸力，根据下述公式计算：
{Ts}MPa={F}N×10-6/{S}m 2
其中，Ts为拉伸强度，F为试样断裂时承受的最大张力，S为试样的横截面积。
通过测量，步骤（4）得到的水溶性牺牲层模板的拉伸强度为33-38MPa，由此可见，本发明通过研究交联剂，将一定比例的淀粉与聚乙烯醇交联，并选择了特定的反应条件，从而实现了淀粉与聚乙烯醇之间较好的交联效果，制备得到的水溶性牺牲层模板具有较好的力学性能。
本发明的聚二甲基硅氧烷膜可用于摩擦发电机中。下面详细说明应用聚二甲基硅氧烷膜的摩擦发电机的结构。
图2和图3所示是本发明一种具体实施方式的摩擦发电机1。该摩擦发电机1包括依次层叠设置的第一电极层11，第一高分子聚合物绝缘层12，和第二电极层13。具体地，第一电极层11设置在第一高分子聚合物绝缘层12的第一侧表面上，且第一高分子聚合物绝缘层12的第二侧表面朝向所述第二电极层13设置，第一高分子聚合物绝缘层12的第二侧表面与第二电极层13的表面接触摩擦形成摩擦界面，第一电极层11和第二电极层13为摩擦发电机1的输出端。其中，第一高分子聚合物绝缘层12所用材料为本发明的聚二甲基硅氧烷膜，其厚度为100μm-500μm；第一高分子聚合物绝缘层12和第二电极层13相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳结构14（图3仅示出第一高分子聚合物绝缘层12上的微纳结构），所述第一高分子聚合物绝缘层表面上设置的微纳结构为凸起高度200nm-100μm的微结构；所述第二电极层表面上设置的微纳结构为凸起高度200nm-100μm的微结构。
该实施方式中，第一电极层11对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；第二电极层13所用材料可以是金属或合金。其中，金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。第二电极层13的厚度优选100μm-500μm，更优选200μm。
当本发明该实施方式的摩擦发电机的各层向下弯曲时，摩擦发电机中的第一高分子聚合物绝缘层12与第二电极层13表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层11与第二电极层13之间出现电势差。由于第一电极层11与第二电极层13之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当本发明的摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极层11与第二电极层13之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层11与第二电极层13之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。
图4和图5所示是本发明另一种具体实施方式的摩擦发电机2。该摩擦发电机2包括依次层叠设置的第一电极层21，第一高分子聚合物绝缘层22，第二高分子聚合物绝缘层23和第二电极层24。具体地，第一电极层21设置在第一高分子聚合物绝缘层22的第一侧表面上，第二电极层24设置在第二高分子聚合物绝缘层23的第一侧表面上，第一高分子聚合物绝缘层22和第二高分子聚合物绝缘层23表面接触摩擦形成摩擦界面，第一电极层21和第二电极层24为所述摩擦发电机2的输出端。其中，第一高分子聚合物绝缘层22和第二高分子聚合物绝缘层23中的至少一层所用材料是本发明的聚二甲基硅氧烷膜，其厚度为100μm-500μm。
第一高分子聚合物绝缘层22和第二高分子聚合物绝缘层23相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳结构25（图5仅示出第一高分子聚合物绝缘层22上的微纳结构），该微纳结构为凸起高度200nm-100μm的微纳结构。
在该实施方式中，第一电极层21和第二电极层24对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
第一高分子聚合物绝缘层22和第二高分子聚合物绝缘层23中的至少一层所用材料是本发明的聚二甲基硅氧烷膜。当第一高分子聚合物绝缘层22或第二高分子聚合物绝缘层23不采用聚二甲基硅氧烷膜时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维素海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。此时，第一高分子聚合物绝缘层22或第二高分子聚合物绝缘层23厚度是100μm-500μm。
当本发明该实施方式的摩擦发电机的各层向下弯曲时，摩擦发电机中的第一高分子聚合物绝缘层22与第二高分子聚合物绝缘层23表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层21和第二电极层24之间出现电势差。由于第一电极层21和第二电极层24之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当本发明的摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极层21和第二电极层24之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层21和第二电极层24之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。
图6和图7所示是本发明又一种具体实施方式的摩擦发电机3。该摩擦发电机3包括第一电极层31，第一高分子聚合物绝缘层32，居间薄膜层33，第二高分子聚合物绝缘层34和第二电极层35。具体地，第一电极层31设置在第一高分子聚合物绝缘层32的第一侧表面上；第二电极层35设置在第二高分子聚合物绝缘层34的第一侧表面上，且居间薄膜层33设置在第一高分子聚合物绝缘层32的第二侧表面和第二高分子聚合物绝缘层34的第二侧表面之间，第一高分子聚合物绝缘层32和居间薄膜层33之间形成摩擦界面，和/或，第二高分子聚合物绝缘层34和居间薄膜层33之间形成摩擦界面，第一电极层31和第二电极层35为摩擦发电机3的输出端。其中，第一高分子聚合物绝缘层32和居间薄膜层33中的至少一层，和/或第二高分子聚合物绝缘层34和居间薄膜层33中的至少一层所用材料是本发明的聚二甲基硅氧烷膜，其厚度为100μm-500μm。。
第一高分子聚合物绝缘层32和居间薄膜层33相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳结构（图未示），和/或第二高分子聚合物绝缘层34和居间薄膜层33相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳结构（图未示）。
当第一高分子聚合物绝缘层32，居间薄膜层33，第二高分子聚合物绝缘层34表面上设置有微纳结构时，该微纳结构为凸起高度200nm-100μm的微纳结构。
在该实施方式中，第一电极层31和第二电极层35对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
第一高分子聚合物绝缘层32和居间薄膜层33中的至少一层，和/或第二高分子聚合物绝缘层34和居间薄膜层33中的至少一层所用材料是本发明的聚二甲基硅氧烷膜。当第一高分子聚合物绝缘层32，或居间薄膜层33，或第二高分子聚合物绝缘层34不采用聚二甲基硅氧烷膜时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维素海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。此时，第一高分子聚合物绝缘层32，或居间薄膜层33，或第二高分子聚合物绝缘层34厚度是100μm-500μm。
当本发明该实施方式的摩擦发电机的各层向下弯曲时，摩擦发电机中的第一高分子聚合物绝缘层32与居间薄膜层33表面，和/或第二高分子聚合物绝缘层34与居间薄膜层33表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层31和第二电极层35之间出现电势差。由于第一电极层31和第二电极层35之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当本发明的摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极层31和第二电极层35之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层31和第二电极层35之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。
图8和图9所示是本发明又一种具体实施方式的摩擦发电机4。该摩擦发电机4包括第一电极层41，第一高分子聚合物绝缘层42，居间电极层43，第二高分子聚合物绝缘层44和第二电极层45。具体地，第一电极层41设置在第一高分子聚合物绝缘层42的第一侧表面上；第二电极层45设置在第二高分子聚合物绝缘层44的第一侧表面上，居间电极层43设置在第一高分子聚合物绝缘层42的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层44的第二侧表面之间，上述第一高分子聚合物绝缘层42和上述居间薄膜层43之间形成摩擦界面，和/或，上述第二高分子聚合物绝缘层44和上述居间薄膜层43之间形成摩擦界面，第一电极层41和第二电极层45串联为摩擦发电机4的一个输出端，居间电极层43为摩擦发电机的另一个输出端，或者，第一电极层41、第二电极层45和居间电极层43中的任意两个作为摩擦发电机4的输出端。其中，第一高分子聚合物绝缘层42和第二高分子聚合物绝缘层44中的至少一层所用材料是本发明的聚二甲基硅氧烷膜，其厚度为100μm-500μm。
第一高分子聚合物绝缘层42和居间电极层43相对设置的两个面中的至少一个面上，和/或第二高分子聚合物绝缘层44和居间电极层43相对设置的两个面中的至少一个面上设置微纳结构（图未示），所述微纳结构为凸起高度200nm-100μm的微纳结构。
在该实施方式中，第一电极层41和第二电极层45对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
所述居间电极层43为金属或合金。其中，金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。居间电极层43的厚度优选100μm-500μm，更优选200μm。
第一高分子聚合物绝缘层42和第二高分子聚合物绝缘层44中的至少一层所用材料是本发明的聚二甲基硅氧烷膜。当第一高分子聚合物绝缘层42或第二高分子聚合物绝缘层44不采用聚二甲基硅氧烷膜时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维素海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。此时，第一高分子聚合物绝缘层42或第二高分子聚合物绝缘层44厚度是100μm-500μm。
当本发明该实施方式的摩擦发电机的各层向下弯曲时，摩擦发电机中的第一高分子聚合物绝缘层42、第二高分子聚合物绝缘层44分别与居间电极层43表面相互摩擦产生静电荷，从而导致第一电极层41和居间电极层43之间，以及居间电极层43和第二电极层45之间出现电势差。由于第一电极层41和居间电极层43之间，以及居间电极层43和第二电极层45之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当本发明的摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极层41和居间电极层43之间，以及居间电极层43和第二电极层45之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层41和居间电极层43之间，以及居间电极层43和第二电极层45之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。
下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。
实施例中所用原料如下：
实施例1
摩擦发电机尺寸为3cm×3cm，总厚度大约是500μm。该摩擦发电机1包括依次层叠设置的第一电极层11，第一高分子聚合物绝缘层12，和第二电极层13。第一高分子聚合物绝缘层12为聚二甲基硅氧烷膜。下面详细说明该摩擦发电机的制备方法。
1.聚二甲基硅氧烷膜的制备
将10.5g聚乙烯醇加入到100ml蒸馏水中，然后置于90℃的水浴锅中，搅拌30min溶解，溶解后取出，在常温条件下静置，得到聚乙烯醇溶液；将4g淀粉加入到50ml蒸馏水中，在78℃的水浴锅中，搅拌糊化30min，得到淀粉糊化产物；将聚乙烯醇溶液加入到淀粉糊化产物中，同时加入溶于10ml蒸馏水的0.45g乙二醛，78℃搅拌10min后静置10min，将得到的产物均匀涂布在硅模板表面，在烘箱中于75℃干燥成膜交联，得到水溶性牺牲层模板，之后将水溶性牺牲层模板与硅模板分离，使用拉伸强度测定仪测定，该水溶性牺牲层模板的拉伸强度为35MPa。
将固化剂（道康宁184）加入到95g聚二甲基硅氧烷（道康宁）中混合均匀得到聚二甲基硅氧烷浆料，其中聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为8:1，将该聚二甲基硅氧烷浆料均匀涂布在上述制备得到的水溶性牺牲层模板上，抽真空，在50℃的环境中固化2小时之后，在水中分离聚二甲基硅氧烷膜，从而得到一侧表面设置凸起高度为500nm的微纳结构的聚二甲基硅氧烷膜（厚度为150μm）。
2.摩擦发电机的制备
采用上述聚二甲基硅氧烷膜作为第一高分子聚合物绝缘层12，其未设置微纳结构的表面上镀厚度100nm的铝薄膜，该铝薄膜即为第一电极层11。
采用厚度100μm的铜箔作为第二电极层13。按照第一高分子聚合物绝缘层12的设有微纳结构的表面朝向第二电极层13，将第二电极层13叠放到第一高分子聚合物绝缘层12上，得到摩擦发电机样品1#。该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。
摩擦发电机样品1#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（5Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机样品1#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机样品1#的最大输出电压和电流信号分别达到了55V和8μA。
实施例2
摩擦发电机尺寸为3cm×3cm，总厚度大约是500μm。该摩擦发电机1包括层叠设置的第一电极层11，第一高分子聚合物绝缘层12，和第二电极层13。第一高分子聚合物绝缘层12为聚二甲基硅氧烷膜。下面详细说明该摩擦发电机的制备方法。
1.聚二甲基硅氧烷膜的制备
将12.5g聚乙烯醇加入到100ml蒸馏水中，然后置于95℃的水浴锅中，搅拌33min溶解，溶解后取出，在常温条件下静置，得到聚乙烯醇溶液；将7.5g淀粉加入到50ml蒸馏水中，在80℃的水浴锅中，搅拌糊化32min，得到淀粉糊化产物；将聚乙烯醇溶液加入到淀粉糊化产物中，同时加入溶于10ml蒸馏水的0.5g戊二醛，80℃搅拌10min后静置10min，将得到的产物均匀涂布在硅模板表面，在烘箱中于80℃干燥成膜交联，得到水溶性牺牲层模板，之后将水溶性牺牲层模板与硅模板分离，使用拉伸强度测定仪测定，该水溶性牺牲层模板的拉伸强度为38MPa。
将固化剂（道康宁184）加入到95g聚二甲基硅氧烷（道康宁）中混合均匀得到聚二甲基硅氧烷浆料，其中聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为8:1，将该聚二甲基硅氧烷浆料均匀涂布在上述制备得到的水溶性牺牲层模板上，抽真空，在85℃的环境中固化1小时之后，在水中分离聚二甲基硅氧烷膜，从而得到一侧表面设置凸起高度为500nm的微纳结构的聚二甲基硅氧烷膜（厚度为150μm）。
2.摩擦发电机的制备
采用上述聚二甲基硅氧烷膜作为第一高分子聚合物绝缘层12，其未设置微纳结构的表面上镀厚度100nm的铝薄膜，该铝薄膜即为第一电极层11。
采用厚度100μm的铜箔作为第二电极层13。按照第一高分子聚合物绝缘层12的设有微纳结构的表面朝向第二电极层13，将第二电极层13叠放到第一高分子聚合物绝缘层12上，得到摩擦发电机样品2#。该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。
摩擦发电机样品2#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（5Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机样品2#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机样品2#的最大输出电压和电流信号分别达到了52V和7.4μA。
实施例3
摩擦发电机尺寸为3cm×3cm，总厚度大约是500μm。该摩擦发电机1包括层叠设置的第一电极层11，第一高分子聚合物绝缘层12，和第二电极层13。第一高分子聚合物绝缘层12为聚二甲基硅氧烷膜。下面详细说明该摩擦发电机的制备方法。
1.聚二甲基硅氧烷膜的制备
将11.5g聚乙烯醇加入到100ml蒸馏水中，然后置于98℃的水浴锅中，搅拌35min溶解，溶解后取出，在常温条件下静置，得到聚乙烯醇溶液；将8.5g淀粉加入到50ml蒸馏水中，在85℃的水浴锅中，搅拌糊化35min，得到淀粉糊化产物；将聚乙烯醇溶液加入到淀粉糊化产物中，同时加入溶于10ml蒸馏水的0.75g硼砂，85℃搅拌10min后静置10min，将得到的产物均匀涂布在硅模板表面，在烘箱中于85℃干燥成膜交联，得到水溶性牺牲层模板，之后将水溶性牺牲层模板与硅模板分离，使用拉伸强度测定仪测定，该水溶性牺牲层模板的拉伸强度为36MPa。
将固化剂（道康宁184）加入到95g聚二甲基硅氧烷（道康宁）中混合均匀得到聚二甲基硅氧烷浆料，其中聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比为8:1，将该聚二甲基硅氧烷浆料均匀涂布在上述制备得到的水溶性牺牲层模板上，抽真空，在100℃的环境中固化1小时之后，在水中分离聚二甲基硅氧烷膜，从而得到一侧表面设置凸起高度为500nm的微纳结构的聚二甲基硅氧烷膜（厚度为150μm）。
2.摩擦发电机的制备
采用上述聚二甲基硅氧烷膜作为第一高分子聚合物绝缘层12，其未设置微纳结构的表面上镀厚度100nm的铝薄膜，该铝薄膜即为第一电极层11。
采用厚度100μm的铜箔作为第二电极层13。按照第一高分子聚合物绝缘层12的设有微纳结构的表面朝向第二电极层13，将第二电极层13叠放到第一高分子聚合物绝缘层12上，得到摩擦发电机样品3#。该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。
摩擦发电机样品3#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（5Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机样品3#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机样品3#的最大输出电压和电流信号分别达到了54V和7.8μA。
实施例4-10
实施例4-10与实施例2的制备方法基本相同，不同之处在于使用的交联剂不同，具体如下表所示。使用拉伸强度测定仪对实施例4-10制备的水溶性牺牲层模板进行拉伸强度测定，结果见下表。实施例4-10得到的摩擦发电机样品4#-10#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征，使用周期振荡（5Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机样品4#-10#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机样品4#-10#的最大输出电压和电流信号如下表所示。
实施例 交联剂 拉伸强度（MPa） 电压（V） 电流（μA）
实施例4（4#） 磷酸 37 47.6 6.8
实施例5（5#） 丙三醇 33 53.5 7.0
实施例6（6#） 柠檬酸 38 51.5 7.2
实施例7（7#） 丁烯二酸酐 35 53.6 6.5
实施例8（8#） 三氯氧磷 34 50.4 7.8
实施例9（9#） 丙烯醛 37 51.5 6.9
实施例10（10#） 环氧氯丙烷 33 52.6 7.4

Claims (18)

1.一种聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，该方法包括：
（1）将聚乙烯醇加入到蒸馏水中，然后在90-98℃条件下，搅拌30-35min溶解，溶解后，将其在常温条件下静置，得到聚乙烯醇溶液；
（2）将淀粉加入到蒸馏水中，在78-85℃条件下，搅拌糊化30-35min，得到淀粉糊化产物；
（3）将步骤（1）所得聚乙烯醇溶液加入到步骤（2）所得淀粉糊化产物中，同时加入交联剂溶液，搅拌后静置；
其中，按干物质的质量计，聚乙烯醇、淀粉、交联剂三者的质量比为21-25:8-17:0.9-1.5；
（4）在硅模板上铺膜，在75-85℃条件下干燥成膜交联，得到水溶性牺牲层模板，之后将水溶性牺牲层模板与硅模板分离；以及
（5）在水溶性牺牲层模板上涂聚二甲基硅氧烷浆料，抽真空，固化成型，之后在水中分离聚二甲基硅氧烷膜。
2.根据权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，按干物质的质量计，所述聚乙烯醇、淀粉、交联剂三者的质量比为25:15:1。
3.根据权利要求1或2所述的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，所述交联剂是乙二醛、戊二醛、硼砂、磷酸、丙三醇、柠檬酸、丁烯二酸酐、三氯氧磷、丙烯醛或环氧氯丙烷。
4.根据权利要求1-3任一项所述的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷浆料通过将固化剂加入到聚二甲基硅氧烷中混合均匀而得到。
5.根据权利要求1-4任一项所述的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，所述聚二甲基硅氧烷浆料是在50-100℃条件下固化成型的。
6.根据权利要求1-5任一项所述的聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，步骤（4）中得到的水溶性牺牲层模板的拉伸强度为33-38MPa。
7.一种聚二甲基硅氧烷膜，采用权利要求1-6任一项所述的方法制成。
8.一种摩擦发电机，其特征在于，包括依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，和第二电极层，其中所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面朝向所述第二电极层设置，所述第一高分子聚合物绝缘层所用材料是权利要求1-6任一项所述的方法制成的聚二甲基硅氧烷膜，所述第一电极层和所述第二电极层为所述摩擦发电机的两个输出端。
9.根据权利要求8所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二电极层之间形成摩擦界面。
10.根据权利要求8所述的摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦发电机进一步包括设置在所述第二电极层和所述第一高分子聚合物绝缘层之间的第二高分子聚合物绝缘层，其中所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层之间形成摩擦界面。
11.根据权利要求10所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第二高分子聚合物绝缘层所用材料是权利要求1-6任一项所述的方法制成的聚二甲基硅氧烷膜。
12.一种摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，居间薄膜层，第二高分子聚合物绝缘层以及第二电极层，其中所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述居间薄膜层为聚合物薄膜层，设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面之间，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜层中的至少一层，和/或，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜层中的至少一层所用材料是权利要求1-6任一项所述的方法制成的聚二甲基硅氧烷膜，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜层之间形成摩擦界面，和/或，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜层之间形成摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层为所述摩擦发电机的两个输出端。
13.一种摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，居间电极层，第二高分子聚合物绝缘层以及第二电极层，其中所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；所述居间电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面之间，所述第一高分子聚合物绝缘层和/或所述第二高分子聚合物绝缘层所用材料是权利要求1-6任一项所述的方法制成的聚二甲基硅氧烷膜，且所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间电极层之间形成摩擦界面，和/或，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间电极层之间形成摩擦界面，所述居间电极层，所述第一电极层和所述第二电极层中的任意两者或三者形成所述摩擦发电机的输出端。
14.根据权利要求10-13任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，当第一高分子聚合物绝缘层，或居间薄膜层，或第二高分子聚合物绝缘层不采用权利要求1-6任一项所述的方法制成的聚二甲基硅氧烷膜时，其所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维素海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
15.根据权利要求8或9所述的摩擦发电机，其特征在于，第一电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；第二电极层所用材料是金属或合金；
其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
16.根据权利要求10-13任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，第一电极层和第二电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
17.根据权利要求13所述的摩擦发电机，其特征在于，所述居间电极层为金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
18.根据权利要求8-17任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，形成摩擦界面的两个面中的至少一个面上设有微纳结构。
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