CN110429867A - 一种取向孔道微流体发电器件及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种取向孔道微流体发电器件及其制备和应用，以聚二甲基硅氧烷作为基体材料，将预取向的水溶纤维模板浸入二甲基硅氧烷预聚液中，真空辅助渗透后固化，再经由索氏提取法去除水溶纤维模板。本发明微流体发电器件具有良好的发电性能、较低的流阻，可用于微电子器件供能设备；在一定发电条件下有较高的输出信号(～0.48V)，制备简单，信号输出稳定，具有较为广泛的应用价值和发展前景。

Description

一种取向孔道微流体发电器件及其制备和应用

技术领域

本发明属于微流体发电器件及其制备和应用领域，特别涉及一种取向孔道微流体发电器件及其制备和应用。

背景技术

随着传统化石能源的日益枯竭，从环境中获取能源，如风能、太阳能、地热和水能，被认为是解决日益严重的能源危机的有效方法。在上述可再生能源中，由于水大量存在于河流、湖泊甚至生物体中，因此把储存在水中潜在的动能和电化学能转化为电能具有极大的应用和发展前景。然而，这些设备通常都是大型复杂的，需要有一定的高度差和特定地点才能有效作业，而低频水流如雨滴、水波涟漪、海潮等运动所产生的能量则不能得到充分的利用。为了克服这些限制，最大限度地利用水能，急需设计出一种新型、高效、小型化的能源收集系统。

目前许多微/纳米流体能量转换系统已被报道，《物理评论快报》(Phys.Rev.Lett.2001,86,131)利用理论计算和模型拟合预测了碳纳米管中的流体发电现象。《科学》(Science 2003,299,1042)则首次在实验上观察到了碳纳米管的发电现象。此后，碳纳米材料被认为是有价值的微流体发电材料，例如，《英国化学会评论》(Chem.Soc.Rev.2014,43,5652011)总结了在多层石墨烯上的流体发电现象，其中较为成熟的技术使用0.6M的HCl水溶液，产生了约30mV的输出电压。尽管碳基纳米材料制备工艺简单成熟，然而感应电信号多数仍处于mV级，在实际应用中无法适应于高功率设备的信号需求。

近年来，人们在硅基材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)中也发现了明显的流体发电效应，并且这些材料可加工性更好，能量转化率更高，更适合于工业化量产。如《先进材料》(Adv.Mater.2015,27,6482)报导了一种光刻阵列状微通道制备硅基微流体发电器件的方法，在氯化钾溶液浓度约为1μM，流量为0.1mL/min时，它可以提供一个～1.75nA的连续电流输出，从而驱动单层氧化锌纳米线制备的pH计工作。《纳米能源》(Nano Energy 2016,30,684)报导了一种利用PDMS作为基质，采用光刻模板制备一种自带储液槽的封闭微流体发电设备。当在一侧的储液槽上方施加垂直的、约为10-40N的压力，使液体从此侧通过微通道流向另一侧时，此设备输出信号可达到0.7V-1.5V左右，因此可用于给电容器充电，从而驱动LED灯泡发光。然而这些工作所使用的光刻模板技术、工艺较为复杂，加工灵活性差，且难以制备出尺寸较大、发电功率更高的微流体发电器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种取向孔道微流体发电器件及其制备和应用，克服现有光刻技术中微通道制备工艺复杂、成本高昂，不利于大规模生产的技术缺陷，本发明选择合适的通道模板材料及基体材料，以聚二甲基硅氧烷作为基体材料，将预取向的可溶纤维(水溶性纤维)模板浸入二甲基硅氧烷预聚液中，真空辅助渗透后固化，再经由索氏提取法去除可溶纤维模板。

本发明的一种微流体发电器件，所述器件由聚二甲基硅氧烷为基体材料，水溶性纤维为孔道模板，形成具有取向的孔道结构。

优选地，所述聚二甲基硅氧烷为道康宁184；水溶性纤维为聚乙烯醇纤维，直径为110-150μm。

所述微流体发电器件的发电流体为氯化钾和/或氢氧化钾的水溶液。

上述发电流体由下列方法配制：

(a)将氯化钾、氢氧化钾固体分别溶解于水中，配制成溶液；其中氯化钾溶液的浓度为0.1-10^-8M；氢氧化钾溶液的浓度为10^-8-0.1M；

(b)将上述两种溶液复配混合均匀，得到混合发电流体。

其中混合发电流体具体为氯化钾与氢氧化钾水溶液混合，去离子水定容至所需体积。

所述取向的孔道结构具体为直径为110-150μm、约100-150根；表面粗糙，孔隙率达20-30％；有沿水溶纤维方向的取向。

本发明的一种微流体发电器件的制备方法，包括：

(1)将聚二甲基硅氧烷的双组分混合均匀，得到混合预聚溶液；

(2)在模具中排列取向好的水溶性纤维，将上述混合预聚溶液注入模具中，真空辅助浸润纤维，热固化，然后去除纤维，得到微流体发电器件。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中聚二甲基硅氧烷的双组分为质量比为8:1-15:1的A组分和B组分，混合震荡后使用消泡机消泡。

所述步骤(2)中模具为直径为2-6mm，长度为5-10cm的石英管。

所述步骤(2)中利用注射针管将混合预聚液注入石英管模具中。

所述步骤(2)热固化温度为60-90℃，时间为30-80min；去除纤维为经索氏提取法溶解纤维。

本发明提供一种所述方法制备的微流体发电器件。

本发明提供一种所述微流体发电器件的应用，如作为海水发电装置。

有益效果

(1)本发明中采用水溶性纤维作为微流体发电器件的孔道模板，有效增加了孔道内表面积(参见图1)，降低了发电器件的流阻，并使得该器输出信号得到一定的提升；

(2)本发明选择合适的通道模板材料及基体材料，并调节孔道表面形态及孔道数量以满足微流体发电器件的信号要求，利用合适的发电流体，提高该发电器件的输出信号(实施例2、3作对比)；

(3)本发明制备的微流体发电器件与同类型器件相比，制备工艺简单、生产成本低，灵活简单、周期短，适应于大规模生产；

(4)本发明制备的微流体发电器件可应用于海水发电设备中；

(5)本发明制备的微流体发电器件对流体流动方向有响应性(参见图3)，可应用于流体状态监测；

(6)本发明得到的微流体发电器件具有良好的发电性能、较低的流阻，可用于微电子器件供能设备，在一定发电条件下有较高的输出信号(～0.48V，参见图5)，制备简单，信号输出稳定，具有较为广泛的应用价值和发展前景。

附图说明

图1为实施例3具有取向孔道的微流体器件纵截面的扫描电子显微镜照片；

图2为表面光滑的水溶性纤维(实施例1)与表面粗糙的水溶性纤维(实施例2)制得的孔道所产生的输出信号对比；

图3为该微流体发电器件的输出信号(电压/电流)对流体流动方向的响应性；

图4为注射泵连续开启-闭合50次循环下的输出信号测试图；

图5为氢氧化钾与氯化钾复配溶液测试下的最佳输出信号图；

图6为模拟海水作为发电流体产生的输出信号图(其中图a为输出电压信号图，图b为输出电流信号图)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

二甲基硅氧烷A、B组分购于道康宁公司，货号为1673921；

粗糙水溶性纤维，购于俊辉纺织有限公司，货号为202，直径为120μm；

光滑水溶性纤维，使用西格玛公司生产的聚乙烯醇(相对分子质量：45,000)在乙醇中湿法纺丝制备；

氯化钾(购于国药集团,货号为10016308)；氢氧化钾(购于国药集团，货号为10017008)。含氯化钾的发电溶液的配制：

采用10^-6M的KCl水溶液为发电流体：首先称取0.0074g的KCl固体，溶解于10mL去离子水中，配制成10^-2M的KCl水溶液；之后使用移液枪移取0.01mL的10^-2M的KCl水溶液至100mL的容量瓶中，加入去离子水定容得10^-6M的KCl水溶液。

含氢氧化钾/氯化钾的发电溶液的配制：

利用上述方法分别配制10^-2M的KCl和KOH水溶液各10mL，移液枪吸取等量KCl和KOH水溶液于容量瓶中，去离子水定容，梯度稀释得到10^-2～10^-8M的KCl和KOH复配水溶液各100mL。

实施例1

使用3M集团生产的硅胶垫切割出两块4cm×3cm的矩形槽，将一块矩形槽铺贴在光滑的玻璃板上，将单根光滑的聚乙烯醇水溶纤维铺贴于矩形槽上方，之后将另一块矩形槽对齐后覆盖于水溶纤维上。按照10:1的比例混合道康宁-184型号的二甲基硅氧烷预聚液A、B组分，震荡搅拌均匀后倒入上述模具。将模具放入干燥器中，真空辅助排出气泡。80℃烘箱中固化30min后，脱模。采用水浴法去除水溶纤维。将固化成型的微流体芯片放入70℃的水浴中搅拌2h，之后使用注射器向通道中注入去离子水清洗通道。使用兰格恒流泵有限公司生产的四通道注射泵配合万用表，以0.4mL/min的流量注入上述配置的含有氯化钾的发电溶液，对其输出信号进行监测。

实施例2

使用3M集团生产的硅胶垫切割出两块4cm×3cm的矩形槽，将一块矩形槽铺贴在光滑的玻璃板上，将单根粗糙的聚乙烯醇水溶纤维铺贴于矩形槽上方，之后将另一块矩形槽对齐后覆盖于水溶纤维上。按照10:1的比例混合道康宁-184型号的二甲基硅氧烷预聚液A、B组分，震荡搅拌均匀后倒入上述模具。将模具放入干燥器中，真空辅助排出气泡。80℃烘箱中固化30min后，脱模。采用水浴法去除水溶纤维。将固化成型的微流体芯片放入70℃的水浴中搅拌2h，之后使用注射器向通道中注入去离子水清洗通道。使用兰格恒流泵有限公司生产的四通道注射泵配合万用表，以0.4mL/min的流量注入上述配置的含有氯化钾的发电溶液，对其输出信号进行监测，如图2所示，该粗糙表面的水溶纤维所制备的通道具有更良好的输出信号。

实施例3

将预取向好的水溶纤维束(粗糙水溶性纤维)装入直径为4mm、长为7cm的玻璃管中，按照上述10:1的比例混合道康宁-184型号的二甲基硅氧烷A、B组分，震荡搅拌均匀后，使用注射器注入装有纤维束的玻璃管。室温下静置1h，期间补加1-2次二甲基硅烷预聚液，使其充分浸润纤维。之后放入80℃烘箱固化30min，敲除玻璃管制得成品。以去离子水为溶剂，将制备好的微流体发电装置放入提取管中，加热至125℃，蒸煮2天后去除水溶性纤维，使用注射器向通道中注入去离子水清洗。

使用捷克FEI环境扫描电子显微镜对通道表面形态进行表征，如图1所示，该微流体发电器件的通道具有粗糙的表面形态。

所述取向的孔道结构具体为直径为120μm、约100根；表面粗糙，孔隙率达25.1％；有沿水溶纤维方向的取向。

使用武汉介观生物科技有限公司生产的FC-PVL型流体程控仪配合Tektronix公司生产的DMM 4050型数字万用表对该微流体发电器件的输出信号进行测试。以1000mbar的压力注入上述配置的含有氯化钾的发电溶液，如图3所示，该微流体器件具有流体方向选择性，其输出信号(电压/电流)方向均与流体流动方向相关。如图4所示，以1000mbar的压力注入上述配置的含有氯化钾的发电溶液，该发电器件具有稳定且较高的输出信号，当注射泵连续开合50次后，其输出信号没有发生明显的变化，稳定保持在～0.15V。如图5所示，以1000mbar的压力注入上述配置的含有氢氧化钾/氯化钾的复配发电溶液进行测试，可看出在10^-6M-10^-4M的KCl溶液与10^-5M-10^-4M的KOH溶液复配时，能有较高的输出电压(～0.48V)。

实施例4

将预取向好的水溶纤维束(粗糙)装入直径为4mm、长为7cm的玻璃管中，按照上述10:1的比例混合道康宁-184型号的二甲基硅氧烷A、B组分，震荡搅拌均匀后，使用注射器注入装有纤维束的玻璃管。室温下静置1h，期间补加1-2次二甲基硅烷预聚液，使其充分浸润纤维。之后放入80℃烘箱固化30min，敲除玻璃管制得成品。以去离子水为溶剂，将制备好的微流体发电装置放入提取管中，加热至125℃，蒸煮2天后去除水溶性纤维，使用注射器向通道中注入去离子水清洗。

使用西格玛公司生产的海盐，按照35‰的浓度配制成水溶液模拟海水。使用该溶液作为发电流体对本发明制备的微流体发电器件进行测试。如图6所示，当模拟海水在外部驱动力的作用下流动时，能产生一个较为稳定的输出信号(电压/电流)。由此，本发明制备的微流体器件在能源利用方面有极大的应用前景。

Claims (10)

1.一种微流体发电器件，其特征在于，所述器件由聚二甲基硅氧烷为基体材料，水溶性纤维为孔道模板，形成具有取向的孔道结构。

2.根据权利要求1所述微流体发电器件，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷为道康宁184；水溶性纤维为聚乙烯醇纤维，直径为110-150μm。

3.根据权利要求1所述微流体发电器件，其特征在于，所述微流体发电器件的发电流体为氯化钾和/或氢氧化钾的水溶液。

4.根据权利要求1所述微流体发电器件，其特征在于，所述取向的孔道结构具体为直径为110-150μm、100-150根；表面粗糙，孔隙率达20-30％；有沿水溶纤维方向的取向。

5.一种微流体发电器件的制备方法，包括：

(1)将聚二甲基硅氧烷的双组分混合均匀，得到混合预聚溶液；

(2)在模具中排列水溶性纤维，将上述混合预聚溶液倒入模具中，真空辅助浸润纤维，热固化，然后去除纤维，得到微流体发电器件。

6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中聚二甲基硅氧烷的双组分为质量比为8:1-15:1的A组分和B组分，混合震荡后使用消泡机消泡。

7.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中模具为直径为2-6mm，长度为5-10cm的石英管。

8.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)热固化温度为60-90℃，时间为30-80min；去除纤维为经索氏提取法溶解纤维。

9.一种权利要求5所述方法制备的微流体发电器件。

10.一种权利要求1所述微流体发电器件的应用。