CN109369928A - 一种单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法。本发明中制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶具有自修复功能，且具有低成本，高导电性，高透明度、超强拉伸性能的特点；本发明中制备的聚二甲基硅氧烷薄膜具有良好的电负性与高透明性，基于聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶与聚二甲基硅氧烷薄膜制备的单电机摩擦纳米发电机透明性好，柔性好，性能高，稳定性好。单位面积输出功率高。属于纳米新能源领域。

Description

一种单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及 其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米新能源领域，更具体的，涉及一种单电机摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法。
背景技术
纳米发电机是一种可以收集自然界机械能并将其转化为电能的新型装置。由于目前日益严峻的能源短缺和环境污染问题，纳米发电机的研发和应用推广受到了广泛的重视。摩擦纳米发电机是基于摩擦带电原理开发的能够通过两种电性能相反的材料的相互接触和分离实现机械能和电能的相互转化。
一般的摩擦纳米发电机由电正性材料和电负性材料构成，通过导线连接外接电路从而收集两种材料循环接触和分离过程中产生的电荷，因此一般双电极摩擦纳米发电机需要在电正性材料和电负性材料之间保持一定距离的间隙，这就提高了摩擦纳米发电机装置的复杂性和封装难度。而在生活中许多材料本身带有一定的电正性，因而可以设计单电极摩擦纳米发电机，通过其与这些生活中的电正性材料的接触来收集由单电极摩擦纳米发电机产生的电流，从而大大减小纳米发电机的制备成本、提高其耐用性和稳定性。现用于摩擦纳米发电机的材料透明性的柔性差，不利于摩擦纳米发电机在某些特殊环境中的应用。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法和一种单电极摩擦纳米发电机。制备的单电极摩擦纳米发电机具有成本低、柔性好，透明度高的特点，可以与外界电正性材料摩擦来实现机械能向电能的转化，有较高的能量转化效率和性能稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法，所述聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的具体制备步骤为：
S1.将聚乙烯醇溶解于去离子水中配制成聚乙烯醇溶液；
S2.在步骤S1聚乙烯醇溶液中加入海藻酸钠并使其充分溶解得到聚乙烯醇/海藻酸钠溶液；
S3.将硼酸钠溶解于去离子水中配制成硼酸钠溶液；
S4.将聚乙烯醇/海藻酸钠溶液以及硼酸钠溶液以一定比例混合，浇注成薄膜，室温下即可形成聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶。
进一步地，步骤S1所述聚乙烯醇溶液浓度为6%。
进一步地，步骤S2所述海藻酸钠的加入量为步骤S1中聚乙烯醇质量的1%~4%。
进一步地，步骤S3所述硼酸钠溶液浓度为6%。
进一步地，步骤S4所述一定比例为3:1~5:1；所述薄膜的厚度为2~5mm。
一种单电极摩擦纳米发电机，包括负极材料为聚二甲基硅氧烷，导线以及所述制备方法制备的单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，其中，聚二甲基硅氧烷包裹住聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，导线一端连接聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，另一端穿过聚二甲基硅氧烷连接外部电路以导出电流。
进一步地，所述聚二甲基硅氧烷的具体制备步骤为：
Y1.将聚二甲基硅氧烷预聚物A料与交联剂B料按一定比例在室温下搅拌混合均匀后倒入内嵌有塑料片的矩形塑料模具中；
Y2.将聚二甲基硅氧烷在一定温度下交联一段时间，将交联后的聚二甲基硅氧烷从塑料模具中取出，即可获得具有中空结构的可拉伸聚二甲基硅氧烷。
进一步地，步骤Y1所述一定比例为10:1。
进一步地，步骤Y1所述塑料片的厚度为2~5mm。
进一步地，步骤Y2所述一定温度为60℃；所述一段时间为3~5小时。
与现有技术相比，有益效果是：
1.本发明中聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶与聚二甲基硅氧烷薄膜的制备方法简单，操作简便，制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶与聚二甲基硅氧烷薄膜的透明度好，制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶含有可逆交联点具有自修复能力，制备的聚二甲基硅氧烷薄膜具有良好的机械性能和弹性。
2.本发明制备的单电极摩擦纳米发电机具有高透明性，高导电性，超拉伸性能且制造成本低的特点。制备得到的单电极摩擦纳米发电机稳定性好，可以稳定的将机械能转化为电能，性能好且输出功率高。
附图说明
图1是实施例1中制备的单电机摩擦纳米发电机整体结构示意图；
附图说明：1-聚二甲基硅氧烷薄膜外壳，2-聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，3-导线；
图2是制备的不同聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的应力-应变测试曲线；
图3是实施例2中制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶与单电机摩擦纳米发电机的透光度测试曲线；
图4是实施例1制备的单电机摩擦纳米发电机的电压输出信号图；
图5是实施例1制备的单电机摩擦纳米发电机的电流输出信号图；
图6是实施例1制备的单电机摩擦纳米发电机外接不同电阻时的输出电流密度和输出能量密度；
图7是实施例1制备的单电机摩擦纳米发电机通过整流电路外接电容器时的充电性能。
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
本发明提供一种单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法，其中聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的具体制备步骤为：
S1.称取1.2g聚乙烯醇溶解于20mL去离子水中配制成6%的聚乙烯醇溶液，
S2.在步骤S1聚乙烯醇溶液中加入24mg海藻酸钠并使其充分溶解得到聚乙烯醇/海藻酸钠溶液；
S3.称取600g硼酸钠溶解于10mL去离子水中配制成6%硼酸钠溶液；
S4.将聚乙烯醇/海藻酸钠溶液和硼酸钠溶液以4:1比例混合，浇注成3mm的薄膜，室温下即可形成聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶。
单电极摩擦纳米发电机的负极材料为聚二甲基硅氧烷，其中聚二甲基硅氧烷的具体制备步骤为：
Y1.将聚二甲基硅氧烷预聚物A料与交联剂B料按10:1的比例在室温下搅拌混合均匀后倒入内嵌有3mm塑料片的矩形塑料模具中。
Y2.将聚二甲基硅氧烷在60℃下交联4小时，将交联后的聚二甲基硅氧烷从塑料模具中取出，即可获得具有中空结构的可拉伸聚二甲基硅氧烷薄膜外壳。
提供一种单电极摩擦纳米发电机，包括负极材料为聚二甲基硅氧烷，导线单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，其中，聚二甲基硅氧烷包裹住聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，导线一端连接聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，另一端穿过聚二甲基硅氧烷连接外部电路以导出电流。
将制备的单电极摩擦纳米发电机的导线连接外部电路，外部电路的另一端接地，检测制备的单电极摩擦纳米发电机的性能。
实施例2
本实施例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤S2中加入的海藻酸钠为12g；步骤S4中聚乙烯醇/海藻酸钠溶液以及硼酸钠溶液混合比例为3:1；步骤Y2中交联时间为3小时。
实施例3
本实施例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤S2中加入的海藻酸钠为36g；步骤S4中聚乙烯醇/海藻酸钠溶液和硼酸钠溶液混合比例为5:1；步骤Y2中教练时间为5小时。
实施例4
本实施例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤S2中加入的海藻酸钠为48g。
对比例1
本对比例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：不加入海藻酸钠。
本对比例制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的导电能力比实施例1的小，且机械性能和自修复能力差。
对比例2
本对比例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤S2中加入的海藻酸钠为60g。
本对比例制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶自修复能力对比实施例1中制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶差。
对比例3
本对比例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤Y2中的交联时间为2小时。
本对比例制备的聚二甲基硅氧烷交联度不够，弹性及拉伸回复性能较差，因而制备的摩擦纳米发电机的拉伸后难以完全回复，且产生的电压与电流较小。
对比例4
本对比例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤Y2中的交联时间为6小时。
本对比例制备的聚二甲基硅氧烷过度交联，因而其强度增加、断裂伸长率降低，这就使制备的摩擦纳米发电机不易拉伸，且柔性较差。
对比例5
本对比例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤S4中的聚乙烯醇/海藻酸钠溶液和硼酸钠溶液的混合比例为2:1。
本对比例制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶对比实施例1制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶具有更多的交联点，从而使水凝胶的强度增加、柔性降低。而且由于交联剂含量的提升，凝胶成胶速度过快导致凝胶内包裹气泡，进而影响摩擦纳米发电机的透明性。
对比例6
本对比例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤S4中的聚乙烯醇/海藻酸钠溶液和硼酸钠溶液的混合比例为6:1。
本对比例制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶对比实施例1制备的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶交联点过少，导致自修复速度慢，修复后力学性能下降明显，而且拉伸回复性能较差，受到应力后容易发生永久变形，因此，基于该凝胶制备的摩擦纳米发电机输出电压和电流不稳定，且长期使用中输出电压和电流降低明显，性能不稳定。
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)

1.一种单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的具体制备步骤为：
S1.将聚乙烯醇溶解于去离子水中配制成聚乙烯醇溶液；
S2.在步骤S1聚乙烯醇溶液中加入海藻酸钠并使其充分溶解得到聚乙烯醇/海藻酸钠溶液；
S3.将硼酸钠溶解于去离子水中配制成硼酸钠溶液；
S4.将聚乙烯醇/海藻酸钠溶液以及硼酸钠溶液以一定比例混合，浇注成薄膜，室温下即可形成聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶。
2.根据权利要求1所述单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法，其特征在于，步骤S1所述聚乙烯醇溶液浓度为6％。
3.根据权利要求1所述单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法，其特征在于，步骤S2所述海藻酸钠的加入量为步骤S1中聚乙烯醇质量的1％～4％。
4.根据权利要求1所述单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法，其特征在于，步骤S3所述硼酸钠溶液浓度为6％。
5.根据权利要求1所述单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶及其制备方法，其特征在于，步骤S4所述一定比例为3:1～5:1；所述薄膜的厚度为2～5mm。
6.一种单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，包括负极材料为聚二甲基硅氧烷，导线以及权利要求1～5所述制备方法制备的单电极摩擦纳米发电机用聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，其中，聚二甲基硅氧烷包裹住聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，导线一端连接聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶，另一端穿过聚二甲基硅氧烷连接外部电路以导出电流。
7.根据权利要求6所述单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷的具体制备步骤为：
Y1.将聚二甲基硅氧烷预聚物A料与交联剂B料按一定比例在室温下搅拌混合均匀后倒入内嵌有塑料片的矩形塑料模具中；
Y2.将聚二甲基硅氧烷在一定温度下交联一段时间，将交联后的聚二甲基硅氧烷从塑料模具中取出，即可获得具有中空结构的可拉伸聚二甲基硅氧烷。
8.根据权利要求7所述单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，步骤Y1所述一定比例为10:1。
9.根据权利要求7所述单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，步骤Y1所述塑料片的厚度为2～5mm。
10.根据权利要求7所述单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，步骤Y2所述一定温度为60℃；所述一段时间为3～5小时。
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