CN107452867B - 柔性可拉伸一体式压电橡胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性可拉伸一体式压电橡胶，包括电极复合层A（1）、电极复合层B（2）和压电复合层（3），所述电极复合层A（1）和电极复合层B（2）位于压电复合层（3）两侧。所述电极复合层A（1）和电极复合层B（2）均是通过将导电颗粒填充到柔性聚合物材料中制得；所述压电复合层（3）是通过将压电材料填充到柔性聚合物材料中制得。构成压电复合层和电极复合层中的柔性聚合物材料相同，即为硫化后具有柔性和和拉伸性的混炼硅橡胶。本发明能够在拉伸情况下保持良好的电信号输出能力，在多次拉伸后具有稳定的电性能输出，进而使得该压电橡胶具有良好的可拉伸性能，为人体的可穿戴设备以及大形变应用提供了更多的选择。

Description

柔性可拉伸一体式压电橡胶及其制备方法
技术领域
本发明属于压电纳米发电技术领域，具体一种新型的柔性可拉伸的一体式压电橡胶及其制备方法。
背景技术
可拉伸的电子器件在新型设备中的应用已经被人们所广泛的关注，如仿生机器人、电子皮肤、可穿戴设备和植入式电子设备等。通常，这些电子器件是利用可充电的电池/超级电容器来进行供电。然而，像化学电池这种传统的能源供给资源具有柔性差，质量重，体积大和时间寿命短等缺点，很大程度上限制了它们在可拉伸电子设备的实际应用。为了更好的为可拉伸电子器件供电，许多研究学者采用各种方法尝试开发出可靠的柔性电池，与柔性可拉伸电子器件形成一体式集成。但是，由于柔性电池不具有可拉伸性能，不能很好的与可拉伸电子器件相贴合，这也在一定程度上限制了可拉伸电子产品的发展和广泛的商业应用。
针对上述情况，开发一种能够从无处不在地环境机械能中不断地收集能量的可拉伸能量发电机是一个亟待解决的问题。目前，可拉伸的能量发电机主要包含摩擦发电机和压电发电机两大类，可拉伸的摩擦发电机采用可拉伸的聚合物与可拉伸电极实现能源转换发电，但是，由于摩擦发电机容易受到外界温湿度的环境影响，发电量不能被明确的被估量。现有的可拉伸的压电发电机由于制作过程复杂和稳定性能较差，使其不能在柔性领域中体现实际应用价值。
因此，开发出一种可靠的柔性可拉伸的一体压电发电机是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，提出一种高可拉伸性能、制作工艺简单、高可靠性的压电橡胶及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种柔性可拉伸一体式压电橡胶，包括电极复合层A、电极复合层B和压电复合层，所述电极复合层A和电极复合层B位于压电复合层两侧，形成一体式的三明治结构。
所述电极复合层A和电极复合层B均是通过将导电颗粒填充到柔性聚合物材料中制得，即柔性可拉伸绝缘材料与纳米导电颗粒形成的复合结构。
所述的压电复合层是通过将压电材料填充到柔性聚合物材料中制得，即柔性可拉伸绝缘材料与纳米压电颗粒形成的复合结构。
当有外力作用在压电发电机上时，压电层产生压电信号，使电极复合层A和电极复合层B层之间产生电信号并通过外接负载输出。
进一步地，电极复合层A、压电复合层和电极复合层B中的可拉伸绝缘材料采用的是同种材料，为硫化后具有柔性和可拉伸性的混炼硅橡胶。
进一步地，电极复合层A或电极复合层B的厚度均为0.3mm~3mm，电极复合层A和电极复合层B的厚度可相同也可不同，面积可根据具体应用需求调整。
进一步地，压电复合层的厚度为0.3mm-5mm，其面积与电极复合层A和电极复合层B的面积相等。
进一步地，所述的压电复合层中，纳米压电颗粒为锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BTO）和铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）等纳米压电陶瓷粉体。纳米压电陶瓷粉体与混炼硅橡胶的含量为：纳米压电陶瓷粉体50~80wt%，混炼硅橡胶20~50wt%。
进一步地，电极复合层A和电极复合层B中，纳米导电颗粒为银粉、铜粉、玻璃银粉和银铜粉等金属粉体。纳米导电颗粒与混炼硅橡胶的含量为：纳米导电颗粒40~80wt%，混炼硅橡胶 20~60wt%。
上述柔性可拉伸一体式压电橡胶的制作方法通过以下步骤制备得到：
步骤1、可拉伸绝缘材料制备
将混炼生胶与硫化剂按照100:2的比例进行配比，在混炼机上混炼1~3个小时，使混炼生胶与硫化剂充分接触。
步骤2、电极复合层A、B制备
将纳米导电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米导电颗粒占总质量的40~80%，在混料机上混炼1~3个小时后，将混合物放入0.3mm~3mm厚度的钢板磨具中，利用平板硫化机器硫化成型，硫化温度是160℃-180℃，硫化时间10min-30min。
步骤3、压电复合层制备
将纳米压电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米压电颗粒占总质量50~80%，在混料机上混炼1~3个小时后，将混合物放入0.9mm-8mm厚度的钢板磨具中，同时将硫化成型的电极复合层A和电极复合层B分别放在混合均匀的压电复合层混合物的底端和顶端，放进平板硫化机器中，硫化温度160℃-180℃，硫化时间10min-30min，压电复合层与电极复合层A和电极复合层B形成压电-电极一体式薄膜结构。
步骤4、对可拉伸的压电-电极一体式薄膜极化
将可拉伸的压电-电极一体式薄膜放入到100~120℃的油浴中，使压电-电极一体式薄膜侵没在硅油中，极化电压为10~50KV，极化时间为15~40min。
步骤5、将极化完成的可拉伸压电薄膜放入盛有酒精的培养皿中，超声清洗30min，之后，放入鼓风干燥箱内，在60-80℃的温度下干燥30min。
另外，柔性可拉伸一体式压电橡胶的制作方法还可以通过以下步骤制备得到：
步骤1、可拉伸绝缘材料制备
将混炼生胶与硫化剂按照100:2的比例进行配比，在混炼机上混炼1~3个小时，使混炼生胶与硫化剂充分接触。
步骤2、压电复合层制备
将纳米压电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米压电颗粒占总质量50~80%，在混料机上混炼1~3个小时后，将混合物放入0.3mm~3mm厚度的钢板磨具中，利用平板硫化机器硫化成型，硫化温度是160℃-180℃，硫化时间10min-30min。
步骤3、电极复合层A、B制备
将纳米导电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米导电颗粒占总质量的40~80%，在混料机上混炼1~3个小时，将混合物放入0.9mm-8mm厚度的钢板磨具中，将硫化成型的压电复合层放置在中间，混合均匀的电极复合层混合物A和电极复合层混合物B分别放置在顶端和底端，放进平板硫化机器中，硫化温度160℃-180℃，硫化时间10min-30min，压电复合层与电极复合层A和电极复合层B形成压电-电极一体式薄膜结构。
步骤4、对可拉伸的压电-电极一体式薄膜极化
将可拉伸的压电-电极一体式薄膜放入到100~120℃的油浴中，使压电-电极一体式薄膜侵没在硅油中，极化电压为10~50KV，极化时间为15~40min。
步骤5、将极化完成的可拉伸压电薄膜放入盛有酒精的培养皿中，超声清洗30min，之后，放入鼓风干燥箱内，在60-80℃的温度下干燥30min。
电极复合层A和电极复合层B分别与外部导线连接，当有外力作用在一体式压电发电机上，会产生形变，使电极复合层A和电极复合层B之间产生电信号，通过导线输出电信号。
本发明还提供了上述柔性可拉伸一体式压电橡胶在人体关节上的应用，将压电发电机放置在人体关节处，通过关节的弯曲和延伸使压电发电机受力产生形变，通过压电发电机的正压电效应产生电能，使得电极复合层A和电极复合层B之间产生电信号并通过外接负载输出。
本发明还提供了上述柔性可拉伸一体式压电橡胶的应用，将其制作成运动器材，例如，扩胸器、脚蹬拉力器和仰卧起坐弹力带等，所述的柔性可拉伸的一体式压电发电机放置在拉伸器材的拉伸部分，通过拉伸运动实现压电发电机的形变，使得电极复合层A和电极复合层B之间产生电信号并通过外接负载输出。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的柔性可拉伸一体式压电橡胶中采用可拉伸绝缘材料和纳米压电颗粒形成柔性压电复合层，可拉伸绝缘材料和纳米导电颗粒形成柔性电极复合层A和柔性电极层复合B，将压电复合层放置在中间层，上下层分别是电极复合层A和电极复合层B，形成一体式结构，能够在拉伸情况下保持良好的电信号输出能力，在多次拉伸后具有稳定的电性能输出，进而使得该压电发电机具有良好的可拉伸性能，为人体的可穿戴设备以及大形变应用提供了更多的选择。
2、本发明利用可拉伸绝缘材料作为基底材料，通过填充功能材料实现具有拉伸性能的功能性柔性薄膜，同时，压电复合层和电极复合层采用的是同种基底材料，具有良好的粘结性，能够硫化成一体式压电发电机；本发明所述的一体式压电橡胶与现有柔性压电微型能量采集器相比，在拉伸的过程中，压电复合层能够产生电能，具有良好的拉伸性能、高可靠性能和输出能力强等优点。
3、本发明柔性可拉伸一体式压电橡胶的制备方法简单，成本低，可实现大规模批量化生产。
附图说明
图1表示本发明柔性可拉伸一体式压电橡胶的结构示意图。
图2表示本发明实施例1（柔性可拉伸一体式压电橡胶）在拉伸时的输出电压。
图3表示本发明实例1（柔性可拉伸一体式压电橡胶）经500次拉伸之后的输出电压。
图4表示本发明实例1（柔性可拉伸一体式压电橡胶）经2000次拉伸之后的输出电压。
图5表示本发明实施例2（柔性可拉伸一体式压电发电机）在拉伸时的输出电压。
图6表示本发明实施例2（柔性可拉伸一体式压电橡胶）经500次拉伸之后的输出电压。
图7为本发明实施例2（柔性可拉伸一体式压电橡胶）经2000次拉伸之后的输出电压。
图中：1-电极复合层A，2-电极复合层B，3-压电复合层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
一种柔性可拉伸一体式压电橡胶，如图1所示，包含电极复合层A1、电极复合层B2和压电复合层3，电极复合层A1和电极复合层B2位于压电复合层3两侧。
当有外力作用于柔性可拉伸一体式压电橡胶时，会发生形变产生电能，使电极复合层A和电极复合层B之间产生电信号，通过外接负载输出电信号。其中，所述电极复合层A和电极复合层B的厚度可相同也可不同。
实施例1
一种柔性可拉伸一体式压电橡胶，包含电极复合层A、电极复合层B和压电复合层的具体制备过程为：
步骤1、可拉伸绝缘材料制备
将混炼生胶与硫化剂按照100:2的比例进行配比，在混炼机上进行混炼2个小时，使混炼生胶与固化剂充分接触。
步骤2、电极复合层A、B制备
将纳米导电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米导电颗粒占总质量的60%，在混料机上混炼1个小时，将混合物放入尺寸为50mm*50mm*1mm的钢板磨具中，利用平板硫化机器硫化成型，硫化温度是170℃，硫化时间20min。
步骤3、压电复合层制备
将纳米压电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米压电颗粒占总质量70%，在混料机上混炼1个小时后，将混合物放入尺寸为50mm*50mm*3mm的钢板磨具中，同时将硫化成型的电极复合层A和电极复合层B分别放在混合均匀的压电复合层混合物的底端和顶端，放进平板硫化机器中，硫化温度170℃，硫化时间20min，压电复合层与电极复合层A和电极复合层B形成压电-电极一体式薄膜结构。
步骤4、对可拉伸的压电-电极一体式薄膜极化
将可拉伸的压电-电极一体式薄膜放入到100℃的油浴中，使压电-电极一体式薄膜侵没在硅油中，极化电压为20KV，极化时间为30min。
步骤5、将极化完成的可拉伸压电薄膜放入盛有酒精的培养皿中，超声清洗30min，之后，放入鼓风干燥箱内，在80℃的温度下干燥30min。
实施例2
一种柔性可拉伸一体式压电橡胶的制作方法还可以通过以下步骤制备得到：
步骤1、可拉伸绝缘材料制备
将混炼生胶与硫化剂按照100:2的比例进行配比，在混炼机上进行混炼2个小时，使混炼生胶与固化剂充分接触。
步骤2、压电复合层制备
将纳米压电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米压电颗粒占总质量70%，在混料机上混炼1个小时后，将混合物放入尺寸为50mm*50mm*1mm的钢板磨具中，利用平板硫化机器硫化成型，硫化温度是170℃，硫化时间20min。
步骤3、电极复合层A、B制备
将纳米导电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米导电颗粒占总质量的60%，在混料机上混炼1个小时，将混合物放入尺寸为50mm*50mm*3mm的钢板磨具中，同时，将硫化成型的压电复合层放置在中间，混合均匀的电极复合层混合物A和电极复合成混合物B分别放置在顶端和底端，放进平板硫化机器中，硫化温度170℃，硫化时间20min，压电复合层与电极复合层A和电极复合层B形成压电-电极一体式薄膜结构。
步骤4、对可拉伸的压电-电极一体式薄膜极化
将可拉伸的压电-电极一体式薄膜放入到100℃的油浴中，使压电-电极一体式薄膜侵没在硅油中，极化电压为20KV，极化时间为30min。
步骤5、将极化完成的可拉伸压电薄膜放入盛有酒精的培养皿中，超声清洗30min，之后，放入鼓风干燥箱内，在80℃的温度下干燥30min。
图2、图3和图4分别为实例1的50mm*50mm*3mm柔性可拉伸的一体式压电橡胶在为拉伸时，拉伸500次和2000次后的输出电压，图5、图6和图7分别为实例2的50mm*50mm*3mm柔性可拉伸的一体式压电橡胶在为拉伸时，拉伸500次和2000次后的输出电压。由图2-图7可知，实例1和实例2实现的柔性可拉伸的一体式压电橡胶的电压峰峰值基本相同，实例1和实例2所述的压电橡胶在经过500次和2000次的拉伸后，其输出电压峰峰值均没有明显的降低，表明本发明提供的柔性可拉伸的一体式压电橡胶具有稳定的输出能力和良好的拉伸疲劳性。
以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种柔性可拉伸一体式压电橡胶，其特征在于：包括电极复合层A（1）、电极复合层B（2）和压电复合层（3），所述电极复合层A（1）和电极复合层B（2）位于压电复合层（3）两侧；
压电复合层中各组成部分的含量为：纳米压电颗粒70wt%，混炼硅橡胶30wt%；
电极复合层中各组成部分的含量具体为：纳米导电颗粒60wt%，混炼硅橡胶40wt%；
制备方法如下：
（1）、可拉伸绝缘材料制备
将混炼生胶与硫化剂按照100:2的比例进行配比，在混炼机上混炼2个小时，使混炼生胶与硫化剂混合均匀；
（2）、电极复合层A、B制备
将纳米导电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米导电颗粒占总质量的60%，在混料机上混炼1个小时后，将混合物放入磨具中，利用平板硫化机硫化成型，硫化温度为170℃，硫化时间20min；
（3）、压电复合层制备
将纳米压电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米压电颗粒占总质量70%，在混料机上混炼1个小时后，将混合物放入磨具中，同时将硫化成型的电极复合层A和电极复合层B分别放在混合均匀的压电复合层混合物的底端和顶端，放进平板硫化机中，硫化温度170℃，硫化时间20min，压电复合层与电极复合层A和电极复合层B形成压电-电极一体式薄膜结构；
（4）、对可拉伸的压电-电极一体式薄膜极化
将压电-电极一体式薄膜放入到100℃的油浴中，使压电-电极一体式薄膜浸没在硅油中，极化电压为20KV，极化时间为30min；
（5）、将极化完成的可拉伸压电薄膜放入盛有酒精的培养皿中，超声清洗30min，之后，放入鼓风干燥箱内，在80℃的温度下干燥30min；
或者，制备方法如下：
（1）、可拉伸绝缘材料制备
将混炼生胶与硫化剂按照100:2的比例进行配比，在混炼机上混炼2个小时，使混炼生胶与硫化剂混合均匀；
（2）、压电复合层制备
将纳米压电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米压电颗粒占总质量70%，在混料机上混炼1个小时后，将混合物放入磨具中，利用平板硫化机器硫化成型，硫化温度是170℃，硫化时间20min；
（3）、电极复合层A、B制备
将纳米导电颗粒均匀地混入到可拉伸绝缘材料中，纳米导电颗粒占总质量的60%，在混料机上混炼1个小时，将混合物放入磨具中，同时，将硫化成型的压电复合层放置在中间，混合均匀的电极复合层混合物A和电极复合层混合物B分别放置在其顶端和底端，放进平板硫化机器中，硫化温度170℃，硫化时间20min，压电复合层与电极复合层A和电极复合层B形成压电-电极一体式薄膜结构；
（4）、对可拉伸的压电-电极一体式薄膜极化
将可拉伸的压电-电极一体式薄膜放入到100℃的油浴中，使压电-电极一体式薄膜浸没在硅油中，极化电压为20KV，极化时间为30min；
（5）、将极化完成的可拉伸压电薄膜放入盛有酒精的培养皿中，超声清洗30min，之后，放入鼓风干燥箱内，在80℃的温度下干燥30min。
2.根据权利要求1所述的柔性可拉伸一体式压电橡胶，其特征在于：构成压电复合层的压电材料为铌镁酸铅-钛酸铅、锆钛酸铅或者钛酸钡；构成电极复合层的导电颗粒为铜粉、银粉、银铜粉或者玻璃银粉。
3.根据权利要求1所述的柔性可拉伸一体式压电橡胶，其特征在于：所述电极复合层A或电极复合层B的厚度均为0.3mm~3mm，电极复合层A和电极复合层B的厚度相同或者不同；所述压电复合层的厚度为0.3mm~5mm。
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"Performance Improvement of Piezoelectric-Rubber by Particle Formation of Linear Aggregates";Shogo Mamada et al.;《Applied Polymer》;20130831;39862(1-8) *

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CN107452867A (zh) 2017-12-08

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