CN109586608A - 一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机及其制备方法 - Google Patents

一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机及其制备方法，属于纳米新能源领域。该褶皱形摩擦纳米发电机由三部分组成，包括依次层叠的纳米纤维摩擦材料层、柔性电极层、弹性体支撑层。利用静电纺丝技术，在沉积有柔性电极的预拉伸基底上覆盖纳米纤维层，通过释放预拉伸应力及短暂热处理过程，可以制备得到具有稳定输出的褶皱形摩擦纳米发电机。所述纳米发电机涉及到的操作过程简单，制备得到的纳米发电机具有优异的可拉伸性能，为人体可穿戴自供能设备提供了更多选择。

Description

一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米新能源领域，具体涉及一种新型柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机及其制备方法。
背景技术
摩擦电是自然界中最常见的一种现象，无论是梳头、穿衣还是走路、开车都能遇到。但摩擦电又很难被收集和利用，因此往往被人们所忽视。
摩擦纳米发电机的原理基于摩擦起电和静电感应的耦合作用。通常，当两种材料相互接触时，界面的某些部位形成了化学键，电荷在界面之间转移以平衡电化学势，从而产生摩擦电荷。在外力驱动下，摩擦带电的界面之间相互运动，导致摩擦纳米发电机中的电势差呈周期性变化。在短路条件下，交变电流流经负载，以达到两个电极之间的静电平衡。
摩擦纳米发电机在近年来的研究和发展中，实现将环境中普遍存在的微小机械能转变为电能，为我们这个社会提供了一种新型、高功率、低成本、环境友好的二次能源。
摩擦纳米发电机按工作模式的不同可以分为四种类型：接触式、滑动式、单电极式、隔空式，基于不同的模式，可以实现各式各样机械能能量收集及应用。
静电纺聚合物纳米纤维具有质量轻、超强柔顺性、满足可穿戴性要求等特点。使得其成为制备摩擦纳米发电机的理想材料。然而，纳米纤维在器件长时间的使用过程中极易从电极剥离，严重影响摩擦纳米发电机的输出性能，并且纳米纤维一般不具有拉伸性，极大的限制了其在柔性可穿戴领域的实际应用价值。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机的制备方法。所述摩擦纳米发电机的技术方案如下：
一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，至少包括三层，依次层叠为褶皱的弹性体支撑层、褶皱的柔性电极层、褶皱的纳米纤维摩擦材料层，上述三层紧密固定在一起，且纳米纤维摩擦材料层紧密嵌合在柔性电极层的褶皱结构中；褶皱的柔性电极层、褶皱的纳米纤维摩擦材料层能够随着褶皱的弹性体支撑层拉伸形变而变形
具体地，所述的摩擦纳米发电机的拉伸范围为0～200％，拉伸比可根据具体应用要求调整。
具体地，所述弹性体支撑层材料为商用3M-VHB胶带或可拉伸聚合物，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯弹性体(TPU)、尼龙弹性体(TPAE)等。
具体地，所述柔性电极层为石墨烯、金、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)等任意一种易形成褶皱结构的柔性薄膜电极材料。
具体地，所述纳米纤维摩擦材料层为负电性较强的聚合物纳米纤维材料，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等可用于静电纺丝的聚合物，进行静电纺丝得到的薄膜；
本发明所述摩擦材料层纳米纤维膜的制备方法，包括如下操作步骤：
(1)将弹性体支撑层预拉伸0～200％，然后在其上制备柔性电极层；得到预拉伸的弹性体支撑层和柔性电极层复合体；
(2)将纳米纤维摩擦材料层所需聚合物溶于有机溶剂中，搅拌至完全溶解，得到聚合物纺丝溶液；
(3)利用静电纺丝技术，选择沉积有柔性电极的预拉伸柔性基底即步骤(1)所得预拉伸的弹性体支撑层和柔性电极层复合体作为接收板，在柔性电极层上进行纺丝制备多孔网状的纳米纤维摩擦材料层，所述的静电纺丝操作参数：纺丝电压10±5kV，接收距离为20±5cm，温度在30±5℃，湿度在30±5％之间，推进速度0.01±0.005mL/min；
(4)撤掉弹性体支撑层的预拉伸力，纳米纤维摩擦层和柔性电极层随着预拉伸弹性基底拉伸应力的释放，而同步回缩形成褶皱结构；
(5)将步骤(4)所得复合材料在纳米纤维摩擦材料熔点±10℃的温度下进行加热处理，处理的时间为使得纳米纤维摩擦材料层的纳米纤维搭接处熔接在一起。
具体地，所述的纳米纤维膜的纺丝时间为10～50min，其纤维膜厚度可根据纺丝时间调整。
褶皱纳米纤维膜在其熔点范围内进行短时间热处理，使纤维间形成交联网络的同时保持高孔隙率，超大比表面积，极轻的质量，柔性易变形等特性。
本发明利用静电纺丝技术，在沉积有柔性电极的预拉伸基底上覆盖纳米纤维层，通过释放预拉伸应力及短暂热处理过程，可以制备得到输出稳定的褶皱形摩擦纳米发电机。为柔性可拉伸的褶皱形结构，且为为单电极模式发电机。
所述纳米发电机的褶皱程度为0～200％，可以根据弹性体支撑层预拉伸应力大小进行调整。
具体地，所述纳米发电机的纳米纤维膜紧密的嵌合固定于褶皱结构中，使其在长时间的使用过程中不易造成纳米纤维层的脱落。
在外力作用下，所述褶皱形摩擦纳米发电机形状发生变化，摩擦接触面积增大，输出强度不断提升，并在接近预拉伸比时达到最大值。
本发明提供的摩擦纳米发电机，除了可以直接贴附在皮肤上，也可以设置在服装上，将摩擦纳米发电机设置在人体运动关节部位相应的位置，在人体运动时摩擦纳米发电机与人体接触，可作为传感器或者发电机，通过人体的轻微运动驱动摩擦纳米发电机发电，并通过测量输出的电信号来检测人体运动的情况。
与现有技术相比，本发明提供的摩擦纳米发电机具有如下优点：
1、相比于传统模式的摩擦纳米发电机，本发明提供的摩擦纳米发电机采用褶皱结构，使器件具有柔性可拉伸变形的特征。
2、此柔性可拉伸摩擦纳米发电机具有很强的形状自适应性，可以用于在任何表面进行机械能采集。
3、褶皱结构能够使原本无法进行拉伸的纳米纤维膜转变为可拉伸的形式。
4、褶皱结构能够牢牢抓附纳米纤维层，确保了摩擦纳米发电机在长时间使用过程中的输出稳定性。
5、此单电极摩擦纳米发电机结构简单轻便，可以贴在人体皮肤的表面，用于实时监测人体的轻微运动，是制备生物运动传感器的理想器件。
附图说明
图1是本发明实施例中的柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机的结构示意图；
图2是本发明实施例中的柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机的扫描电镜图；
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明的技术方案，但本发明并不限于以下实施例。
以下实施例所述摩擦纳米发电机的尺寸为3×3cm2，面积可根据具体应用要求调整。
实施例1
步骤1：将氧化石墨烯水溶液用适量去离子水稀释后铸滴于200％预拉伸的3M-VHB弹性体支撑膜上，并放入鼓风烘箱干燥成氧化石墨烯复合膜。
步骤2：将步骤1所得复合膜暴露于碘化氢蒸气中，还原得到导电石墨烯复合膜。
步骤3：PVDF溶于适量的DMF+丙酮混合溶剂(6:4)中，磁力搅拌一段时间至完全溶解，得到聚合物PVDF纺丝溶液。
步骤4：以导电石墨烯复合膜作为接收电极，控制静电纺丝操作参数为电压10kV，接收距离为20cm，温度在30±5℃，湿度在30±5％之间，推进速度0.01mL/min等，得到PVDF纳米纤维膜。
步骤6：释放预拉伸应力，将复合膜放入180℃鼓风烘箱热处理后得到褶皱形摩擦纳米发电机。
结果表明，在原始状态下纳米发电机的输出性能达到80V，在150％拉伸条件下输出性能达到300V(按压材料为市售尼龙膜，分离间距2cm)。
实施例2
步骤1：将金镀膜于200％预拉伸的3M-VHB弹性体支撑膜上，得到导电金复合膜。
步骤2：PET溶于适量的二氯甲烷+三氟乙酸混合溶剂(1:4)中，磁力搅拌一段时间至完全溶解，得到聚合物PET纺丝溶液。
步骤3：以导电金复合膜作为接收电极，控制静电纺丝操作参数为电压12kV，接收距离为18cm，温度在30±5℃，湿度在30±5％之间，推进速度0.01mL/min等，得到PET纳米纤维膜。
步骤4：释放预拉伸应力，将复合膜放入160℃鼓风烘箱热处理后得到褶皱形摩擦纳米发电机。
结果表明，在原始状态下纳米发电机的输出性能达到50V，在150％拉伸条件下输出性能达到160V(按压材料为市售尼龙膜，分离间距2cm)。
实施例3
实施例1和实施例2的柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机不仅可以用来收集机械能，还可以贴在人体不同位置的皮肤表面，在人体运动时摩擦纳米发电机与衣物接触，随着人体的运动，摩擦纳米发电机进行摩擦同时还有拉伸变形，可用于实时监测人体运动的信息，如运动的幅度等。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术保护的范围内。

Claims (10)

1.一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，至少包括三层，依次层叠为褶皱的弹性体支撑层、褶皱的柔性电极层、褶皱的纳米纤维摩擦材料层，上述三层紧密固定在一起，且纳米纤维摩擦材料层紧密嵌合在柔性电极层的褶皱结构中；褶皱的柔性电极层、褶皱的纳米纤维摩擦材料层能够随着褶皱的弹性体支撑层拉伸形变而变形。
2.按照权利要求1所述的一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，所述的摩擦纳米发电机的拉伸范围为0～200％，拉伸比可根据具体应用要求调整。
3.按照权利要求1所述的一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，所述弹性体支撑层材料为商用3M-VHB胶带或可拉伸聚合物。
4.按照权利要求3所述的一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，可拉伸聚合物可选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯弹性体(TPU)、尼龙弹性体(TPAE)。
5.按照权利要求1所述的一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，所述柔性电极层为石墨烯、金、聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)任意一种易形成褶皱结构的柔性薄膜电极材料。
6.按照权利要求1所述的一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，所述纳米纤维摩擦材料层为负电性较强的聚合物纳米纤维材料，可选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等。
7.制备权利要求1-6任一项所述的柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机的方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
(1)将弹性体支撑层预拉伸0～200％，然后在其上制备柔性电极层；得到预拉伸的弹性体支撑层和柔性电极层复合体；
(2)将纳米纤维摩擦材料层所需聚合物溶于有机溶剂中，搅拌至完全溶解，得到聚合物纺丝溶液；
(3)利用静电纺丝技术，选择沉积有柔性电极的预拉伸柔性基底即步骤(1)所得预拉伸的弹性体支撑层和柔性电极层复合体作为接收板，在柔性电极层上进行纺丝制备多孔网状的纳米纤维摩擦材料层，所述的静电纺丝操作参数：纺丝电压10±5kV，接收距离为20±5cm，温度在30±5℃，湿度在30±5％之间，推进速度0.01±0.005mL/min；
(4)撤掉弹性体支撑层的预拉伸力，纳米纤维摩擦层和柔性电极层随着预拉伸弹性基底拉伸应力的释放，而同步回缩形成褶皱结构；
(5)将步骤(4)所得复合材料在纳米纤维摩擦材料熔点±10℃的温度下进行加热处理，处理的时间为使得纳米纤维摩擦材料层的纳米纤维搭接处熔接在一起。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)有机溶剂为与聚合物对应的良溶剂。
9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的纳米纤维膜的纺丝时间为10～50min，其纤维膜厚度可根据纺丝时间调整。
10.权利要求1-6任一项所述的柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机的应用，直接贴附在皮肤上，或设置在服装上，将摩擦纳米发电机设置在人体运动关节部位相应的位置，在人体运动时摩擦纳米发电机与人体接触，作为传感器或者发电机，通过人体的轻微运动驱动摩擦纳米发电机发电，并通过测量输出的电信号来检测人体运动的情况。
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