CN110067082B - 一种纳米发电机用微米级摩擦层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米发电机用微米级摩擦层及其制备方法，包括如下步骤：首先配置含氟聚合物溶液；再将所得溶液加入注射器，单组份静电纺丝；其次，在常温干燥、挥发溶剂后，最终得到具有仿生叶柄结构的摩擦层；本发明成功制备基于内部具有纳米多孔结构，表面具有粗糙纳米结构的仿生叶柄状微米级电纺纤维的摩擦层；通过纤维内部的纳米多孔结构束缚静电荷和纤维表面的粗糙纳米结构提高有效接触面积，提高了材料的电性能；本发明制备工艺简易，操作简便，成本低廉，可批量化生产。

Description

一种纳米发电机用微米级摩擦层及其制备方法
技术领域
本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，具体地指一种纳米发电机用微米级摩擦层及其制备方法。
背景技术
近年来，摩擦纳米发电机发展迅速；摩擦纳米发电机利用静电感应与摩擦生电效应可以将环境中的低频机械能直接转变为电能，并且可以即时驱动功能电子器件；在人类的日常生活中，许多能量，诸如人体运动、海浪翻滚、空气流动等产生的能量均可以被摩擦纳米发电机收集；与此同时，基于摩擦纳米发电机的传感器件被广泛应用于生物医疗、电子皮肤、人机交互等领域；因此提高摩擦纳米发电机的输出性能至关重要。
为提高纳米发电机的输出性能大量工作集中在对摩擦层的表面改性方面；表面改性包括物理表面改性与化学表面改性，即通过提高摩擦层的表面粗糙度来提高摩擦层之间的有效接触面积及通过合适的官能团来优化摩擦层表面的化学性能；比如，2015年发表在《NanoEnergy》第14卷，第226–235页的论文指出采用传统单组份静电纺丝工艺制备得到由实心纳米纤维组成的摩擦层，由于该摩擦层表面较为粗糙提高了有效接触面积，与表面光滑的摩擦层相比，组装而成的摩擦纳米发电机的输出电压提高了接近10倍；然而，对于摩擦电纳米发电机的长期发展而言，仅着眼于摩擦层表面相关结构与性能的优化是不够的，需要充分利用摩擦材料的全部空间来进一步提高器件性能；大量工作证明，遍布摩擦层的多孔结构，尤其是纳米多孔结构可以将大量电荷束缚于孔结构表面，产生附加静电效应，有助于摩擦纳米发电机的性能提升；例如，2017年发表在《NanoEnergy》第34卷，第69–75页的论文指出采用冷压法处理传统单组份静电纺丝工艺制备得到由实心纳米纤维组成的摩擦层，使实心纳米纤维之间发生塑性粘结，在纤维和纤维之间形成纳米多孔结构；由基于上述方法制备摩擦层装配而成的摩擦纳米发电机的输出电压是由基于实心纳米纤维摩擦层装配而成的摩擦纳米发电机的两倍左右；但是，上述方法及目前工艺构筑纳米多孔结构具有较高的技术难度，需要复杂的工艺流程；这些缺陷限制了多孔摩擦层的开发与应用；如果能够仅仅采用简单的单组份静电纺丝制备得到直径在微米级且表面有粗糙纳米结构，内部有纳米多孔结构的纤维组成的摩擦层，那工艺难度将大大降低，工艺流程也会大大缩短，此外，摩擦层中的多孔结构数量会大大增多，摩擦层的有效接触面积也会提高，将有效促进相应纳米发电机的电输出性能。
发明内容
本发明的发明人研发了一种纳米发电机用微米级摩擦层，所制得的摩擦层内部由仿生叶柄结构状的微米纤维构成；所述的微米纤维的平均直径为1μm~10μm；所述的微米纤维的内部为纳米多孔结构，微米纤维的外表面存在粗糙的纳米结构，其均方根粗糙度在60nm~100nm之间；这种内部有大量纳米多孔结构，外表面有粗糙纳米结构纤维组成的摩擦层，由于微米纤维内部的大量纳米多孔结构可以束缚大量电荷，及微米纤维表面大量粗糙纳米结构提高了有效接触面积，使得本发明提供的摩擦层具有良好的输出电性能；此外，本发明还提供了制备该种摩擦层的制备方法，该制备方法工艺流程简单易操作；便于该摩擦层的应用推广。
本发明采用的技术方案如下：一种纳米发电机用微米级摩擦层,其特征在于,所述摩擦层内部由仿生叶柄结构状的微米纤维构成；所述微米纤维的平均直径为1μm~10μm；所述微米纤维的内部为纳米多孔结构，微米纤维的外表面存在粗糙的纳米结构，其均方根粗糙度在60nm~100nm之间。
上述纳米发电机用微米级摩擦层的制备方法,其特征在于,包括如下步骤：
1）将含氟聚合物加入丙酮、二甲基亚砜混合溶剂中，在50℃环境下搅拌17min使含氟聚合物充分溶解,然后在常温下静置12min,去除搅拌过程中产生的气泡，得到含氟聚合物溶液；
2）将步骤1）所得含氟聚合物溶液加入注射器中，将不锈钢针头安装到注射器前端，在针头前方安装滚轮接收器，在滚轮接收器上包覆铝箔；
3）在不锈钢针头上施加正电压，在滚轮接收器上施加负电压；滚轮接收器转动的同时，推进注射器，使含氟聚合物溶液喷出针头直至含氟聚合物全部喷到包覆于滚轮接收器的铝箔上，得到含氟聚合物前驱体；
4）常温干燥步骤3）中被铝箔接收的含氟聚合物前驱体，待丙酮、二甲基亚砜挥发完全后得到纳米发电机用具有仿生叶柄结构的摩擦层。
更具体的，步骤1）中丙酮、二甲基亚砜混合溶剂中，丙酮与二甲基亚砜的体积配比为1:2；所述含氟聚合物为聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)、聚(偏二氟乙烯-co-四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯-co-三氟氯乙烯)和聚(偏二氟乙烯-co-三氟乙烯)中的任意一种；所述含氟聚合物溶液的质量浓度为18%。
更具体的，步骤2）中加入注射器中含氟聚合物溶液的体积为4mL~6mL；不锈钢针头的型号为20号、21号、22号、23号中的任一种；不锈钢针头与滚轮接收器之间的距离为6cm~10cm。
更具体的，步骤3）中不锈钢针头上施加的正电压为10kV~20kV，在滚轮接收器上施加的负电压为0~5kV；推出含氟聚合物溶液的速度为0.8mL/h~1.2mL/h；滚轮接收器的旋转速度为5rpm~35rpm。
本发明的有益效果在于：提供了一种制得纳米发电机用微米级摩擦层的方法，本发明通过工艺简单且易于操作的单组份静电纺丝法制备得到具有仿生叶柄结构摩擦层，其中仿生叶柄结构纤维的平均直径达到微米级别；与传统单组份静电纺丝法制备的实心纳米纤维相比，本发明制得的多孔微米纤维内部的纳米多孔结构可以产生并束缚更多的静电荷，有助于提高纳米发电机的电输出性能；与传统多孔纳米纤维相比，本发明制得的多孔微米纤维的内部所包含的孔结构更多，多孔微米纤维的表面也更加粗糙，更有益于纳米发电机电输出性能的提高；实验结果显示，装配有该具有仿生叶柄结构摩擦层的纳米发电机的输出电压是装配有基于传统实心纳米纤维摩擦层的纳米发电机的2.8倍；本发明有助于发展和建设摩擦纳米发电机的理论系统，提供了简单和新颖的方式来实现高的输出性能。
附图说明
图1为本发明的摩擦层制备流程图。
图2为本发明实施例1所得摩擦层中具有仿生叶柄结构的微米纤维的25000倍扫描电镜图。
图3为本发明对比例1所得摩擦层中实心纳米纤维的75000倍扫描电镜图。
图4为本发明实施例1所得摩擦层的50倍扫描电镜图。
图5为本发明对比例1所得摩擦层的50倍扫描电镜图。
图6为本发明实施例1所得摩擦层的2000倍扫描电镜图。
图7为本发明对比例1所得摩擦层的2000倍扫描电镜图。
图8为本发明实施例1所得摩擦层中具有仿生叶柄结构的微米纤维的直径分布图及由直径分布图得到的平均直径数据。
图9为传统实心纳米纤维的直径分布图及由直径分布图得到的平均直径数据。
图10为本发明实施例1所得摩擦层中具有仿生叶柄结构的微米纤维的原子力显微镜三维照片；图中黑线为垂直距离-水平距离曲线的测试区域。
图11为传统实心纳米纤维的原子力显微镜三维照片；图中黑线为垂直距离-水平距离曲线的测试区域。
图12为本发明实施例1所得摩擦层中具有仿生叶柄结构的微米纤维的垂直距离-水平距离曲线，及由垂直距离-水平距离曲线得到的均方根粗糙度数据。
图13为传统实心纳米纤维的垂直距离-水平距离曲线，及由垂直距离-水平距离曲线得到的均方根粗糙度数据。
图14为装配有本发明实施例1所得摩擦层的纳米发电机的输出电压和对比例1所得摩擦层的纳米发电机的输出电压对比图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合发明人实际研究成果进行对比说明，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。
一种纳米发电机用微米级摩擦层的制备方法,包括如下步骤：
1）将含氟聚合物加入丙酮、二甲基亚砜混合溶剂中，在50℃环境下搅拌17min使含氟聚合物充分溶解,然后在常温下静置12min,去除搅拌过程中产生的气泡，配置成质量浓度为18%的含氟聚合物溶液；
丙酮、二甲基亚砜混合溶剂中，丙酮与二甲基亚砜的体积配比为1:2；所述的含氟聚合物为聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)、聚(偏二氟乙烯-co-四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯-co-三氟氯乙烯)和聚(偏二氟乙烯-co-三氟乙烯)中的任意一种；
2）将步骤1）所得含氟聚合物溶液4mL~6mL加入注射器中，将不锈钢针头安装到注射器前端，在针头前端6cm~10cm处安装滚轮接收器，在滚轮接收器上包覆铝箔；不锈钢针头的型号为20号、21号、22号、23号中的任一种；
3）在不锈钢针头上施加10kV~20kV的正电压，在滚轮接收器上施加0~5kV的负电压；滚轮接收器转动的同时，推进注射器，使含氟聚合物溶液以0.8mL/h~1.2mL/h的速度喷出针头直至含氟聚合物全部喷到包覆于滚轮接收器的铝箔上；所述滚轮接收器的旋转速度为5rpm~35rpm；
4）在温度为20℃~30℃，相对湿度为15%~25%的环境下干燥步骤3）中被铝箔接收的含氟聚合物，待溶剂挥发完全后得到纳米发电机用具有仿生叶柄结构的摩擦层；得到的摩擦层内部由仿生叶柄结构状的微米纤维构成；所述微米纤维的平均直径为1μm~10μm；所述微米纤维的内部为纳米多孔结构，微米纤维的外表面存在粗糙的纳米结构，其均方根粗糙度在60nm~100nm之间。
实施例1
1）将聚偏二氟乙烯加入丙酮、二甲基亚砜的混合溶剂中，丙酮与二甲基亚砜的体积配比为1:2；在50℃环境下搅拌17min使聚偏二氟乙烯充分溶解,然后在常温下静置12min,去除搅拌过程中产生的气泡，配置成质量浓度为18%的聚偏二氟乙烯溶液；
2）将步骤1）所得聚偏二氟乙烯溶液5mL加入注射器中，将22号不锈钢针头安装到注射器前端，在针头前端8cm处安装滚轮接收器，在滚轮接收器上包覆铝箔；
3）在不锈钢针头上施加10kV的正电压，在转速为20rpm的滚轮接收器上施加2.5kV的负电压；滚轮接收器转动的同时，推进注射器，使聚偏二氟乙烯溶液以1.0mL/h的速度喷出针头直至聚偏二氟乙烯全部喷到包覆于滚轮接收器的铝箔上；
4）在温度为24℃~26℃，相对湿度为15%~16%的环境下干燥步骤3）中被铝箔接收的聚偏二氟乙烯前驱体，待溶剂挥发完全后得到纳米发电机用具有仿生叶柄结构的摩擦层（如图4、图6所示），该摩擦层中微米纤维的平均直径为3.18μm（如图8所示），该微米纤维的内部为纳米多孔结构（如图2所示），其外表面存在粗糙的纳米结构，其均方根粗糙度为84.392nm（如图10、图12所示）。
对比例1（采用传统单组份静电纺丝工艺）
1）将聚偏二氟乙烯加入丙酮、二甲基亚砜体积配比为1:2的混合溶剂中，配置成质量浓度为10%的聚偏二氟乙烯溶液；
2）将步骤1）所得聚偏二氟乙烯溶液5mL加入注射器中，将22号不锈钢针头安装到注射器前端，在针头前端8cm处安装滚轮接收器，在滚轮接收器上包覆铝箔；
3）在不锈钢针头上施加10kV的正电压，在转速为20rpm的滚轮接收器上施加2.5kV的负电压；推进注射器，使聚偏二氟乙烯溶液以1.0mL/h的速度喷出针头直至聚偏二氟乙烯全部喷到包覆于滚轮接收器的铝箔上，得到具有实心纳米纤维结构的摩擦层（如图5、图7所示），该摩擦层中实心纳米纤维的平均直径为0.21μm（如图9所示），该纳米纤维的内部是实心的（如图3所示），其外表面的粗糙度较低，其均方根粗糙度为3.418nm（如图11、图13所示）。
结果分析
对比图2和图3可知，本发明实施例1所得摩擦层中单根纤维内部具有大量纳米多孔结构；而对比例1中传统单组份静电纺丝所制备的摩擦层中纤维内部是实心的，没有纳米多孔结构；对比图6和图7可知，本发明实施例1提供的摩擦层中纤维的平均直径达到微米级别，为3.18μm，而对比例1中传统单组份静电纺丝所制备的摩擦层中实心纤维的平均直径达是纳米级别，为210nm；
将实施例1的图10、图12与对比例1的图11、图13进行对比可知，本发明实施例1提供的摩擦层中单根纤维外表面具有大量纳米结构，表面粗糙度较大，其均方根粗糙度为84.392nm；而对比例1提供的单组份静电纺丝所制备的摩擦层中实心纤维表面较为光滑，粗糙度较低，为3.418nm；
如图14所示，装配有本发明实施例1所得具有仿生叶柄结构摩擦层的纳米发电机的输出电压是装配有对比例1基于传统实心纳米纤维摩擦层的纳米发电机的2.8倍。
综上所述，本发明制备得到直径在微米级别，内部有大量纳米多孔结构，外表面有粗糙纳米结构纤维组成的摩擦层，由于微米纤维内部的大量纳米多孔结构可以束缚大量电荷，及微米纤维表面大量粗糙纳米结构提高了有效接触面积，本发明提供的摩擦层具有良好的输出电性能。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行和修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种纳米发电机用微米级摩擦层，其特征在于,所述摩擦层内部由仿生叶柄结构状的微米纤维构成；所述微米纤维的平均直径为1μm~10μm；所述微米纤维的内部为纳米多孔结构，微米纤维的外表面存在粗糙的纳米结构，其均方根粗糙度在60nm~100nm之间。
2.一种权利要求1所述的纳米发电机用微米级摩擦层的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：
1）将含氟聚合物加入丙酮、二甲基亚砜混合溶剂中，在50℃环境下搅拌17min使含氟聚合物充分溶解,然后在常温下静置12min,去除搅拌过程中产生的气泡，得到含氟聚合物溶液；
2）将步骤1）所得含氟聚合物溶液加入注射器中，将不锈钢针头安装到注射器前端，在针头前方安装滚轮接收器，在滚轮接收器上包覆铝箔；
3）在不锈钢针头上施加正电压，在滚轮接收器上施加负电压；滚轮接收器转动的同时，推进注射器，使含氟聚合物溶液喷出针头直至含氟聚合物全部喷到包覆于滚轮接收器的铝箔上，得到含氟聚合物前驱体；
4）常温干燥步骤3）中被铝箔接收的含氟聚合物前驱体，待丙酮、二甲基亚砜挥发完全后得到纳米发电机用具有仿生叶柄结构的摩擦层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1）丙酮、二甲基亚砜混合溶剂中，丙酮与二甲基亚砜的体积配比为1:2；所述含氟聚合物为聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)、聚(偏二氟乙烯-co-四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯-co-三氟氯乙烯)和聚(偏二氟乙烯-co-三氟乙烯)中的任意一种；所述含氟聚合物溶液的质量浓度为18%。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中加入注射器中含氟聚合物溶液的体积为4mL~6mL；不锈钢针头的型号为20号、21号、22号、23号中的任一种；不锈钢针头与滚轮接收器之间的距离为6cm~10cm。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤3）中不锈钢针头上施加的正电压为10kV~20kV，在滚轮接收器上施加的负电压为0~5kV；推出含氟聚合物溶液的速度为0.8mL/h~1.2mL/h；滚轮接收器的旋转速度为5rpm~35rpm。
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