CN109361325B - 一种高性能波型驻极纳米摩擦发电机及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能波型驻极纳米摩擦发电机及其制备方法，以铝箔作为两个导电电极，通过PDMS将支撑材料固定在铝箔电极材料上来作为接收装置，以聚偏氟乙烯、尼龙66为模型聚合物，在上述聚合物的一种或两种内添加一定量的驻极颗粒获得静电纺丝液，通过静电纺丝分别制备纳米纤维膜，利用PDMS将纳米纤维膜进一步组装制得纳米摩擦发电机。通过在静电纺丝液中加入驻极粒子来影响纳米纤维得失电荷能力，由此来调控纳米发电机的输出电流电压性能，并通过改变纳米纤维膜的结构形式来进一步由增加纳米纤维之间的相互摩擦面积，提高纳米发电机的输出性能。制作工艺简单，成本低廉，对环境友好，可以作为环保能源发电方面具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳米纤维材料领域，具体涉及一种高性能波型驻极纳米摩擦发电机及其制备方法。
背景技术
在我们日常生活当中，除了水力、风能、生物质能、太阳能等常见形式的可再生能源，有大量的机械能被浪费掉，比如身体运动、噪声、微风等。这些机械能大多能量较弱且频率分布范围大，很难使用传统的发电机进行发电。因此研制一种能够将这些机械能转换为电能的装置，将这些被忽略的能量收集起来并加以利用具有很重要的意义。随着纳米科技的迅猛发展，越来越多基于纳米技术的微型功能器件和微机电系统逐渐应用于人们的日常生活中。为这些微型器件提供尺寸匹配的电源成为近年来的研究热点。通常微型器件的能耗很小，目前依然使用传统的电池为其供电。近年来，纳米纤维在摩擦发电机方向的运用成为研究人员的热点。
合适的器件结构设计以及增强纳米纤维材料的性能可以有效地提高柔性摩擦电发电机的输出性能，有助于发电机在收集人体活动产生的机械能方面的应用。近年来，在此方面的研究逐日增加。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高性能波型驻极纳米摩擦发电机及其制备方法，以铝箔为两个导电电极，以聚偏氟乙烯（PVDF）、尼龙66分别加入驻极体的材料制备纺丝液纺制纳米纤维膜作为两种摩擦材料，制作波型结构由此来增加纳米纤维之间的相互摩擦面积，得到高性能压电摩擦发电功能的波型纳米发电机。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高性能波型驻极纳米摩擦发电机，以铝箔作为两个导电电极，通过PDMS将支撑材料固定在铝箔电极材料上来作为接收装置，以聚偏氟乙烯、尼龙66为模型聚合物，在上述聚合物的一种或两种内添加一定量的驻极颗粒获得静电纺丝液，通过静电纺丝分别制备纳米纤维膜，利用PDMS将纳米纤维膜进一步组装制得纳米摩擦发电机。通过在静电纺丝液中加入驻极粒子来影响纳米纤维得失电荷能力，由此来调控纳米发电机的输出电流电压性能，并通过改变纳米纤维膜的结构形式来进一步由增加纳米纤维之间的相互摩擦面积，提高纳米发电机的输出性能。
所述聚偏氟乙烯纺丝液或尼龙66纺丝液中的至少一种加入驻极颗粒。
所述驻极颗粒为勃姆石或氮化硅。
所述聚偏氟乙烯和尼龙66的分子量≥100000；纳米纤维的直径为100-900nm。
所述纳米摩擦发电机层数≥2，利用PDMS来组合。
所述纳米摩擦发电机长度≥5mm，宽度≥5 mm，厚度≥0.5 mm。
所述的高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，包括以下步骤：
（1）将聚偏氟乙烯加入到N，N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃混合溶液中，在20-80℃的条件下搅拌2-15h得到纺丝溶液，纺丝液质量分数为5-20%；
（2）将尼龙66颗粒加入甲酸溶液中常温搅拌1-10 h至溶液均匀分散，得到尼龙占溶剂甲酸质量分数10-30%的纺丝液；
（3）在配置纺丝液之前，将驻极颗粒按溶质质量分数的1.5-10%放入步骤（1）和/或步骤（2）溶剂中超声1-10 h；
（4）剪两块6 cm*6cm的铝箔纸作为电极材料；
（5）在铝箔纸的其中一面两端黏上6cm*0.5 cm的两列PDMS作为粘着剂固定支撑材料；
（6）将支撑材料按间距100-1000μm排列在PDMS上，支撑材料直径为30-300μm，最终制得接收装置；
（7）利用静电纺丝装置，使用（6）的接受装置接收纳米纤维，分别制备PVDF、尼龙66纳米纤维两种膜；
（8）在制得的纳米纤维的装置上黏有PDMS处再涂一层PDMS，在PDMS完全晾干之前将两装置粘合在一起制得高性能波型驻极纳米摩擦发电机。
所述步骤（7）中静电纺丝装置的参数为：滚筒转速为200 -1500r/min，喷头距离接收板边缘的垂直距离5-20 cm，电压为10-40kV，供液量为0.05-0.2mm/min，纺丝温度为20-40℃，湿度为20-60 %。
所述步骤（7）静电纺丝的具体操作为：先将在（2）中涂覆有PDMS的两列粘着剂处用透明保鲜膜遮住防止纳米纤维接收在PDMS处，后将（3）中制得的带有PDMS铝箔纸用胶带粘在纺丝滚筒上作为接收膜，制备PVDF、尼龙66纳米纤维。
所述步骤（8）具体操作为：在制得的含有纳米纤维的接收膜上，将（7）中的PDMS上的保鲜膜拿掉，在原先的PDMS处再涂一层PDMS，在PDMS完全晾干之前将两个含有不同纳米纤维接收膜粘合在一起制得高性能波型驻极纳米摩擦发电机如图2。
本发明的有益效果：（1）将静电纺丝技术驻极技术相结合，灵活运用驻极体的作用得以提高发电机的输出性能；（2）摩擦发电机利用新的波型结构来增加有效接触面积得以提高发电机的输出性能，得以对人体机械能的有效利用； （3）小型柔性纳米发电机的制备具有较好的力学自适应性，是便携式电子产品的可持续绿色电源的有效方法。（4）通过对纳米纤维纺丝液中加入驻极粒子来影响纳米纤维得失电荷能力，从而使得两种材料制得的纳米纤维摩擦产生的输出性能得到增强。在此基础上，改变纳米纤维膜的结构状态，利用支撑材料来支撑纳米纤维制得波形结构的纳米纤维膜，从而使得两层纳米纤维在相同的表面积内，有效接触面积变大，提高发电机的输出性能。纳米发电机可以将人体平时产生机械能有效的转化为电能，由于其制作工艺简单，成本低廉，对环境友好，可以作为环保能源发电方面具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为加入驻极颗粒的纳米纤维膜；
图2波型结构示意图，1电极、2支撑材料、3 PVDF纳米纤维膜、4 加氮化硅的尼龙66纳米纤维膜、5和6为 PDMS。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
本实施例的高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，包括以下步骤：
（1）将驻极颗粒氮化硅按溶质质量分数的10%放入溶剂甲酸中超声1 h；
（2）将聚偏氟乙烯（PVDF）颗粒加入到N，N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃1:1的混合溶剂中加热（80 ℃）搅拌8 h得到纺丝溶液，PVDF占溶剂质量分数20%的纺丝液;
（3）将尼龙66颗粒加入甲酸溶液中常温搅拌4 h至溶液均匀分散，得到尼龙占溶剂甲酸质量分数20%的纺丝液；
（4）剪两块6 cm*6cm的铝箔纸作为电极材料；
（5）在铝箔纸的其中一面的两端黏上6cm*0.5 cm的两列PDMS作为粘着剂固定支撑材料；
（6）将支撑材料80μm透明尼龙线按间距为200 μm排列在PDMS上；作为接收装置；
（7）利用静电纺丝装置，先将在（2）中涂覆PDMS的两列用透明保鲜膜遮住谨防纳米纤维接收在PDMS处，后将（3）中制得的带有PDMS铝箔纸用胶带粘在纺丝滚筒上作为接收膜，滚筒转速为600 r/min，喷头距离接收板边缘的垂直距离15 cm，电压为19 kV，PVDF供液量为0.06 mm/min，尼龙供液量为0.08mm/min，纺丝温度为25 ℃，湿度为25 %；分别制备PVDF、尼龙66纳米纤维；
（8）在制得的含有纳米纤维的接收膜上，将（7）中的PDMS上的保鲜膜拿掉，在原先的PDMS处再涂一层PDMS，在PDMS完全晾干之前将两个含有不同纳米纤维接收膜粘合在一起制得高性能波型驻极纳米摩擦发电机如图2所示。
实施例2
本实施例的高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，包括以下步骤：
（1）将驻极颗粒勃姆石取得溶质（PVDF）质量分数1.5 %放入溶剂N，N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃1:1的混合溶剂中超声1 h；
（2）将聚偏氟乙烯（PVDF）颗粒加入到（1）制得的溶剂中加热（80 ℃）搅拌8 h得到纺丝溶液，PVDF占溶剂质量分数为11 %；
（3）将尼龙66颗粒加入甲酸溶液中常温搅拌4 h至溶液均匀分散，得到质量分数20%的纺丝液；
（4）剪两块6 cm*6cm的铝箔纸作为电极材料；
（5）在铝箔纸的其中一面的两端黏上6cm*0.5 cm的两列PDMS作为粘着剂固定支撑材料；
（6）将支撑材料100μm透明尼龙线按间距为300 μm排列在PDMS上；作为接收装置；
（7）利用静电纺丝装置，先将在（2）中涂覆PDMS的两列用透明保鲜膜遮住谨防纳米纤维接收在PDMS处，后将（3）中制得的带有PDMS铝箔纸用胶带粘在纺丝滚筒上作为接收膜，滚筒转速为1000 r/min，喷头距离接收板边缘的垂直距离15 cm，电压为19 kV，PVDF供液量为0.06 mm/min，尼龙供液量为0.08mm/min，纺丝温度为25 ℃，湿度为25 %；分别制备PVDF、尼龙66纳米纤维；
（8）在制得的含有纳米纤维的接收膜上，将（7）中的PDMS上的保鲜膜拿掉，在原先的PDMS处再涂一层PDMS，在PDMS完全晾干之前将两个含有不同纳米纤维接收膜粘合在一起制得高性能波型驻极纳米摩擦发电机如图2所示。
实施例3
本实施例的高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，包括以下步骤：
（1）将驻极颗粒勃姆石按溶质（聚偏氟乙烯）质量分数的2%放入溶剂N，N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃1:1（v:v）的混合溶剂中超声1 h；
（2）将驻极颗粒氮化硅按溶质（尼龙66颗粒）质量分数的3%放入溶剂甲酸中超声1h；
（3）将聚偏氟乙烯（PVDF）颗粒加入到（1）制得的溶剂中加热（80 ℃）搅拌8 h得到纺丝溶液，PVDF占溶剂质量分数为11 %
（4）将尼龙66颗粒加入（2）溶液中常温搅拌4 h至溶液均匀分散，得到尼龙占溶剂甲酸质量分数20%的纺丝液；
（5）剪两块6 cm*6cm的铝箔纸作为电极材料；
（6）在铝箔纸的其中一面的两端黏上6cm*0.5 cm的两列PDMS作为粘着剂固定支撑材料；
（7）将支撑材料150μm透明尼龙线按间距为500 μm排列在PDMS上；作为接收装置；
（8）利用静电纺丝装置，先将在（2）中涂覆PDMS的两列用透明保鲜膜遮住谨防纳米纤维接收在PDMS处，后将（3）中制得的带有PDMS铝箔纸用胶带粘在纺丝滚筒上作为接收膜，滚筒转速为1500r/min，喷头距离接收板边缘的垂直距离15 cm，电压为19 kV，PVDF供液量为0.06 mm/min，尼龙供液量为0.08mm/min，纺丝温度为25 ℃，湿度为25 %；分别制备PVDF、尼龙66纳米纤维；
（9）在制得的含有纳米纤维的接收膜上，将（7）中的PDMS上的保鲜膜拿掉，在原先的PDMS处再涂一层PDMS，在PDMS完全晾干之前将两个含有不同纳米纤维接收膜粘合在一起制得高性能波型驻极纳米摩擦发电机如图2所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将聚偏氟乙烯加入到N，N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃混合溶液中，在20-80℃的条件下搅拌2-15h得到纺丝溶液，纺丝液质量分数为5-20%；
（2）将尼龙66颗粒加入到甲酸溶液中常温搅拌1-10 h至溶液均匀分散，得到尼龙占溶剂甲酸质量分数10-30%的纺丝液；
（3）在配置纺丝液之前，将驻极颗粒按溶质质量分数的1.5-10%放入步骤（1）和/或步骤（2）溶剂中超声1-10 h；
（4）剪两块6 cm*6cm的铝箔纸作为电极材料；
（5）在铝箔纸的其中一面两端黏上6cm*0.5 cm的两列PDMS作为粘着剂固定支撑材料；
（6）将支撑材料按间距100-1000μm排列在PDMS上，支撑材料直径为30-300μm，最终制得接收装置；
（7）利用静电纺丝装置，使用（6）的接收装置接收纳米纤维，分别制备PVDF、尼龙66纳米纤维两种膜；
（8）在制得的纳米纤维的装置上黏有PDMS处再涂一层PDMS，在PDMS完全晾干之前将两装置粘合在一起制得高性能波型驻极纳米摩擦发电机；
所述高性能波型驻极纳米摩擦发电机，以铝箔作为两个导电电极，通过PDMS将支撑材料固定在铝箔电极材料上来作为接收装置，以聚偏氟乙烯、尼龙66为模型聚合物，在上述聚合物的一种或两种内添加一定量的驻极颗粒获得静电纺丝液，通过静电纺丝分别制备纳米纤维膜，利用PDMS将纳米纤维膜进一步组装制得纳米摩擦发电机。
2.根据权利要求1所述的高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于：所述驻极颗粒为勃姆石或氮化硅。
3.根据权利要求1所述的高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于：所述聚偏氟乙烯和尼龙66的分子量≥100000；纳米纤维的直径为100-900nm。
4.根据权利要求1所述的高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于：所述支撑材料为直径0.08mm-0.2mm的超细尼龙透明线。
5.根据权利要求1所述的高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于：所述纳米摩擦发电机层数≥2，利用PDMS来组合。
6.根据权利要求1所述的高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于：所述纳米摩擦发电机长度≥5mm，宽度≥5 mm，厚度≥0.5 mm。
7.根据权利要求1所述的高性能波型驻极纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于：所述步骤（7）中静电纺丝装置的参数为：滚筒转速为200-1500r/min，喷头距离接收板边缘的垂直距离5-20 cm，电压为10-40kV，供液量为0.05-0.2mm/min，纺丝温度为20-40℃，湿度为20-60 %。
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