CN109096431A - 一种纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯‑聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法及其在纳米新能源中的应用。带有电正性的柔性纳米发电机和自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯‑聚甲基丙烯酸丁酯共聚物制备方法简单，制备的共聚物有优良的机械性能、透明性和良好的失电子能力。使用柔性纳米发电机和自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯‑聚甲基丙烯酸丁酯共聚物制备的摩擦纳米发电机具有优良的机械性能和透明性，且制备的摩擦纳米发电机功率高，输出性能稳定；制备的自驱动传感器机械性能和透明性优良，灵敏度高，信号输出稳定。

Description

一种纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙 烯酸丁酯共聚物及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米新能源领域，更具体地，涉及一种柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物及其制备方法。
背景技术
纳米发电机是近年来针对能源短缺及环境污染等问题提出的一种新型能源收集装置。其能够通过特殊的材料及装置设计来将自然界和生活中的机械能转化为电能。由于纳米发电机可以基于外界应力和形变产生电信号，其也可用做微型传感器来监测人体或物体的运动或变形，而具有高柔韧性和透明性的纳米发电机有着巨大的市场需求。
摩擦纳米发电机相比传统压电纳米发电机具有高能量转化率、输出功率，高灵敏度，高适应性，和低成本等优势，因而受到了广泛的重视。而摩擦纳米发电机选用材料多为金属或结晶型高分子材料因而不具备透明性，且缺乏柔性，限制了其在某些特殊情况下的应用。因此，开发具有柔性、透明且电荷转移能力优良的摩擦纳米发电机材料是有必要的。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物及其制备方法，该制备方法简便易操作，制备的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物具有良好的机械性能及透明度，而且具有良好的失电子能力，是理想的摩擦纳米发电机正极材料。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，具体的制备步骤为：
S1.以丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯为合成单体，加入引发剂、催化剂及络合剂，冷冻真空除氧后油浴下反应得到聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物；
S2.反应后采用氯仿溶解合成的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物，再进行萃取提纯，烘干提纯产物；
S3.将步骤S2中烘干的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物热压成膜。
优选地，所述丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸丁酯的摩尔比为1:2~4。
进一步地，步骤S1所述引发剂为4-甲基二苯甲酮；所述催化剂为溴化亚铜；所述络合剂为五甲基二乙烯基三胺或4,4'-二壬基-2,2'-联吡啶。
优选地，所述络合剂为五甲基二乙烯基三胺，其中，所述合成单体、引发剂、催化剂和络合剂的摩尔比为300:1:1:1。
优选地，所述络合剂为4,4'-二壬基-2,2'-联吡啶，其中，所述合成单体、引发剂、催化剂和络合剂的摩尔比为300:1:1:2。
进一步地，步骤S1所述油浴的温度为70~90℃；所述油浴加热时间为10~20h。
进一步地，步骤S2所述萃取提纯采用甲醇/5%盐酸溶液。
进一步地，步骤S3所述热压成膜的温度为80~120℃。
一种所述制备方法制备得到的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物。
一种所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的应用，所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的应用于摩擦纳米发电机和自驱动传感器。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明中的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物制备方法简便，制备的共聚物有良好的柔性和透明性，失电子能力强。
本发明中基于柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的摩擦纳米发电机柔性好且有良好的透明性，制备的摩擦纳米发电机输出电压高，功率大且输出功率稳定。
本发明中基于柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的自驱动传感器机械性能好，有良好的透明性，制备的自驱动传感器灵敏度高，信号输出稳定，可以检测微小应力和应变。
附图说明
图1是实施例1制备的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的1H NMR核磁共振图谱；
图2是实施例1制备的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的拉伸性能测试曲线；
图3是实施例1制备的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物、组装的纳米发电机以及负极材料聚二甲基硅氧烷的透明性测试结果；
附图说明：a.聚二甲基硅氧烷b.柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物c.使用聚二甲基硅氧烷与聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物制备的摩擦纳米发电机；
图4是实施例1制备的摩擦纳米发电机的输出电压信号；
图5是实施例1制备的摩擦纳米发电机的输出电流信号；
图6是实施例1制备的摩擦纳米发电机作为自驱动传感器在监测胳膊弯曲时的电压信号；
图7是基于实施例1中制备的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的摩擦纳米发电机结构图；
附图说明：1.柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物2.聚二甲基硅氧烷3.隔离块4.聚丙烯酰胺水凝胶。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
本实施例提供一种柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，具体步骤为：
S1.依次将30mmol丙烯酸丁酯，90mmol甲基丙烯酸丁酯，0.4mmol4-甲基二苯甲酮，0.4mmol溴化亚铜和0.4mmol五甲基二乙烯基三胺加入两口烧瓶中，对烧瓶中的反应物进行冷冻真空除氧后在真空环境下密封。然后在90°C下油浴中反应15h，得到聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物；
S2.将得到的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物使用氯仿溶解，然后在甲醇/5%盐酸溶液中进行萃取提纯得到聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物，将提纯产物烘干；
S3.将步骤S2中烘干的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物在100°C下热压成膜，即得到柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物。
实施例2
本实施例提供一种柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，具体步骤为：
S1.依次将30mmol丙烯酸丁酯，60mmol甲基丙烯酸丁酯，0.4mmol4-甲基二苯甲酮，0.4mmol溴化亚铜和0.8mmol的4,4'-二壬基-2,2'-联吡啶加入两口烧瓶中，对烧瓶中的反应物进行冷冻真空除氧后在真空环境下密封。然后在70°C下油浴10h，得到聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物；
S2.将得到的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物使用氯仿溶解，然后在甲醇/5%盐酸溶液中进行萃取提纯得到聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物，将提纯产物烘干；
S3.将步骤S2中烘干的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物在80°C下热压成膜，即得到柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物。
实施例3
本实施例提供一种柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，具体步骤为：
S1.依次将30mmol丙烯酸丁酯，120mmol甲基丙烯酸丁酯，0.4mmol4-甲基二苯甲酮，0.4mmol溴化亚铜和0.8mmol的4,4'-二壬基-2,2'-联吡啶加入两口烧瓶中，对烧瓶中的反应物进行冷冻真空除氧后在真空环境下密封。然后在90°C下油浴20h，得到聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物；
S2.将得到的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物使用氯仿溶解，然后在甲醇/5%盐酸溶液中进行萃取提纯得到聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物，将提纯产物烘干；
S3.将步骤S2中烘干的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物在120°C下热压成膜，即得到柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物。
对比例1
本对比例参照实施例1的制备方法，与实施例1的区别在于，本对比例中丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸丁酯的比例为1:1，即丙烯酸丁酯为30mmol，甲基丙烯酸丁酯为30mmol。
使用本对比例中制备的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物组装的纳米发电机，输出电压低，输出功率小。
对比例2
本对比例参照实施例1的制备方法，与实施例1的区别在于，本对比例中丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸丁酯的比例为1:5，即丙烯酸丁酯为30mmol，甲基丙烯酸丁酯为150mmol。
使用本对比例中制备的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物组装的纳米发电机，输出电压低，输出功率小。
由图1可知，以丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸丁酯成功合成出聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物。
由图2可知，合成的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物具有良好的柔性和拉伸性能，其拉伸模量为0.32MPa，拉伸强度为0.07MPa，断裂伸长率超过800%，在拉伸率超过80%后表现出良好的延展性。
由图3可知，实施例1制备的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物具有良好的透明性，组装的纳米发电机以及负极材料聚二甲基硅氧烷也有优良的透明性能。
将实施例1中制备的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物应用于摩擦纳米发电机，并记录摩擦纳米发电机的电压、电流输出情况，具体结构见图4~5。
其中，摩擦纳米发电机包括导线、导电层、正极材料、负极材料以及隔离块，正极材料采用实施例1制备的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物，负极材料采用聚二甲基硅氧烷薄膜，导电层采用1~2mm的聚丙烯酰胺水凝胶，导线连接在导电层上，隔离块在正负极之间，使正负极隔开3~5mm的间隙以利于摩擦生电作用的产生。具体结构见图7。
由图4可知，基于柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的摩擦纳米发电机产生的电压高，输出稳定。
由图5可知，基于柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的摩擦纳米发电机产生的电流大，输出稳定。
将实施例1中制备的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物应用于自驱动传感器中，检测胳膊弯曲时候的电压信号。具体结果见图6。
由图6可知，制备的自驱动传感器在胳膊弯曲不同程度时可以输出不同强度的电压信号，检测灵敏度高，信号输出稳定。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，其特征在于，具体的制备步骤为：
S1.以丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯为合成单体，加入引发剂、催化剂及络合剂，冷冻真空除氧后在油浴下反应得到聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物；
S2.反应后采用氯仿溶解合成的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物，再进行萃取提纯，烘干提纯产物；
S3.将步骤S2中烘干的聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物热压成膜。
2.根据权利要求1所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸丁酯的摩尔比为1:2～4。
3.根据权利要求1所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，其特征在于，步骤S1所述引发剂为4-甲基二苯甲酮；所述催化剂为溴化亚铜；所述络合剂为五甲基二乙烯基三胺或4,4'-二壬基-2,2'-联吡啶。
4.根据权利要求3所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，其特征在于，所述络合剂为五甲基二乙烯基三胺，其中，所述合成单体、引发剂、催化剂和络合剂的摩尔比为300:1:1:1。
5.根据权利要求3所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，其特征在于，所述络合剂为4,4'-二壬基-2,2'-联吡啶，其中，所述合成单体、引发剂、催化剂和络合剂的摩尔比为300:1:1:2。
6.根据权利要求1所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，其特征在于，步骤S1所述油浴的温度为70～90℃；所述油浴加热时间为10～20h。
7.根据权利要求1所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，其特征在于，步骤S2所述萃取提纯采用甲醇与5％盐酸溶液的混合溶液。
8.根据权利要求1所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的制备方法，其特征在于，步骤S3所述热压成膜的温度为80～120℃。
9.一种如权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物。
10.一种权利要求9所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物的应用，其特征在于，将所述柔性纳米发电机与自驱动传感器用聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸丁酯共聚物应用于柔性纳米发电机和自驱动传感器。
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