CN110938221B - 力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法，属于复合材料领域。所述力电转换界面分子复合材料薄膜包括力电转换装置、外接电路。其中，力电转换来自于制备的高分子聚合物薄膜界面与其他物体(如橡胶、树脂、金属等)的接触分离，基于单电极模式的摩擦发电电势的充电泵效应，将机械能转换为电能，无需电池等外接电源设备，仅通过手或机械拍打、按压等即可实现机械能到电能的转换。经证实，该高分子薄膜材料制备方法简单、成本低，且具有良好的力电转换效率、透明性、拉伸性(约1100％)、自愈性、大小厚度可控，具有极强的实用前景。

Description

力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法
技术领域
本发明涉及力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法及应用，属于复合材料领域。
背景技术
柔性材料因其可弯曲、可折叠、可压缩、可拉伸、保角性、环境适应性、机械性能好等特点，在可穿戴设备、光电子器件、生物组织工程、信息、能源、医疗等多个领域都有着重要的应用。为满足器件需求，轻薄、透明、柔性、拉伸性、功能性成为柔性材料选择使用的关键指标。
摩擦发电是自然界中常见的力电转换方式之一，借助不同物质之间的接触分离技术，环境中各种微小的被浪费掉的机械能转换为电能，再经存储、应用，利用摩擦起电和静电效应的耦合，配合电路设计，达到能源的转换利用。
当今，电子器件、传感器的设计日益趋近于小型化与可穿戴，但该类器件功能的实现均需为器件提供电能，以支撑器件的正常运行。目前，市面上普遍采用电池或外接电源供电的方式。外接电源的供电方式存在诸多问题，例如：电池等外接电源的增大器件的质量及适用范围，电池等外接电源本身的成本及环境问题。
发明内容
针对目前存在的问题，本发明提供了一种利用摩擦起电和静电效应的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件，该器件能有效收集各种形式的机械能(拉伸、按压、拍打等)，经外电路设计，将电能进行存储、利用。该电子器件可与多种微型传感器通过电路设计进行结合，达到器件的自供能，进一步提高了电子器件的适用范围，是对现有技术的极大改进，极强的实用性及适用性。
所述力电转换装置涉及的原理如下：1、采用制备的柔性力电转换高分子聚合物薄膜及匹配材料(橡胶、树脂、金属等)两者为基本材料，两种材料在机械力的作用下产生接触分离，由于不同物质的介电常数或电负性不同，会在材料表面产生电荷的极化和分离；2、采用摩擦发电和静电感应的原理，两种材料界面接触分离产生的电荷通过外电路产生电流，实现机械能到电能的转换。
一种力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法，其特征在于：所述电子器件包括力电转换装置、外接电路；其中所述力电转换装置材料选自制备的柔性高分子聚合物薄膜及其他不同物体为界面供体，高分子聚合物薄膜与其他不同物体两者发生接触分离，基于单电极模式的摩擦发电电势的充电泵效应，将机械能转换为电能。
进一步地所述制备所述高分子聚合物薄膜的原料包括1-5份的丙烯酰胺，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
进一步地，所述光引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦至少一种。
进一步地，所述力电转换界面分子复合材料薄膜的制备方法，其特征在于：将原材料溶解于20-40份水中，得到均一透明水溶液，搅拌均匀得到聚合物薄膜材料的前驱体；将所述前驱体倒入凹槽、模具或其他容器，在紫外或可见光下照射固化，得到所述高分子聚合物薄膜。
进一步的，所述薄膜的大小、厚度可根据控制原材料的份数、模具的大小、形状来调节。
进一步地，所述薄膜的形状是根据需要进行人工裁剪成。
进一步地，所述高分子聚合物薄膜材料的结构选自但不限于纳米、多孔、中空、层状、平面、凸起、褶皱、或者其中两种或两种以上结构的复合。
进一步地，所述的力电转换装置选择与高分子聚合物薄膜相匹配的材料发生接触分离摩擦过程，将机械能转换为电能；匹配材料的选自但不限于橡胶、树脂、金属、金属氧化物、半导体、液晶材料、高分子聚合物、纺织物，或者其中一种或一种以上材料的复合。
进一步地，所述外接电路选自但不限于输出、整流、储能、或者其中一种或一种以上的复合。
本发明提供的一种高分子聚合物薄膜的制备方法具有原料成本低、简单易行、结构厚度大小可操作、有较高发电量的特点。并且，该高分子聚合物所具备的透明性、拉伸性、自愈性使其在光电子器件、可穿戴设备方面具有广阔的应用前景。
本发明制备的高分子聚合物薄膜具备优良的拉伸、透明、自愈、电转换效率等性能，但该薄膜为含水材料，在环境中长期放置，难以长期保持其性能。
针对上述材料本身性质的不足及缺陷，本发明采用如下方案予以解决上述问题：1、采用弹性体封装材料对器件进行整体封装；2、采用不透水材料在高分子薄膜材料不工作时进行封装保护；3、根据高分子薄膜材料的实时情况补充适当去离子水，以保持高分子薄膜材料的各项性能。
本发明提供的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件具有良好的力电转换性能，即机械能与电能的转换，在常规操作的作用力下(如：机械马达拍打、手动拍打、按压等)满足常规微小型电子器件的供电需求。因此本发明提供的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件在自供能可穿戴器件方面具有良好的应用前景。
本发明制备的高分子聚合物薄膜具备优良的拉伸、透明、自愈、电转换效率等性能，其原料成本低、简单易行、结构厚度大小可操作、有较高发电量的特点，在柔性自供能微电子一体化器件、医疗设备、生物组织工程、人体健康监测、传感器等方面均具有良好的应用潜能。
附图说明
图1为应用柔性高分子导电聚合物与铜箔为基础材料的力电转换电子器件工作原理示意，蓝色表示为柔性高分子导电聚合物电极，深蓝色表示为铜片电极。经过接触分离，达到电子的转移，经外接用电或储电设备，达到驱动电子设备或储存电能的作用。
图2为应用柔性高分子导电聚合物与铜箔为基础材料的力电转换电子器件工作原理示意图，浅蓝色表示为柔性高分子导电聚合物，深蓝色表示为铜箔，红色表示为导线。
图3为力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件驱动绿色LED灯珠示意图。
图4为力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件经整流后将电能储存与商业电容器，并能驱动电子器件(如电子手表、计算器等)示意图。
图5为图3的等效电路示意图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜为本发明提供了重要的材料支撑，下面将结合具体制备柔性高分子聚合物薄膜的实施例进行说明。
实施例1
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺1份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸铵。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例2
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺2份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸铵。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例3
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺3份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸铵。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例4
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸铵。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例5
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺5份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸铵。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
表1
Figure BDA0002266310290000041
由表1可以看出，实施例4材料的聚合程度较好，具体表现在拉伸率为大约1100％，在实施例1-5中拉伸率最高。
实施例6
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺1份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例7
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺2份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例8
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺3份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例9
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例10
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺5份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
表2
Figure BDA0002266310290000051
由表2可以看出，实施例9材料的聚合程度较好，具体表现在拉伸率为大约1050％，在实施例6-10中拉伸率最高。
实施例11
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺1份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例12
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺2份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例13
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺3份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例14
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例15
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺5份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
表3
Figure BDA0002266310290000071
由表3可以看出，实施例14材料的聚合程度较好，具体表现在拉伸率为大约1150％，在实施例11-15中拉伸率最高。
以上所述实施案例1-15，综合丙烯酰胺使用份数，光引发剂成本，及最终获得的拉伸性可以看出，丙烯酰胺使用质量份数为4，光引发剂为过硫酸钾时，高分子聚合物薄膜制备的成本最低，获得的拉伸率最高。
实施例16
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化6h。
实施例17
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化12h。
实施例18
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化24h。
实施例19
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化48h。
实施例20
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化72h。
实施例21
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在可见光下固化96h。
表4
Figure BDA0002266310290000081
由表4可以看出，实施例20材料的聚合程度较好，即在可见光下固化72h时聚合程度较好，具体表现在拉伸率为大约1150％，在实施例16-21中拉伸率最高。
实施例22
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在紫外光下固化72h。
实施例23
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在紫外光下固化48h。
实施例24
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在紫外光下固化24h。
实施例25
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在紫外光下固化12h。
实施例26
本发明所述柔性高分子聚合物薄膜一种实施例，其前驱体制备包括以下重量份的制备原料：丙烯酰胺4份，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂。
其中所述光引发剂为过硫酸钾。
其中所述前驱体在紫外光下固化6h。
表5
Figure BDA0002266310290000091
由表5可以看出，实施例24材料的聚合程度较好，即在紫外光下固化24h时聚合程度较好，具体表现在拉伸率为大约1200％，在实施例22-26中拉伸率最高。
以上所述实施案例16-26，综合固化光源及固化时间制备的高分子复合材料薄膜最终获得的拉伸性可以看出，丙烯酰胺使用质量份数为4，光引发剂为过硫酸钾时，在紫外光下进行固化，高分子聚合物薄膜制备的时间成本最低，获得的拉伸率最高。
实施例27
实施例27提供的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件驱动发光二极管系统如图2所示。在图2所示的力电转换装置中，采用实施案例24中制备的柔性高分子复合材料薄膜与铜片构建一个接触面为3*3cm的力电转换装置，通过手掌拍打实现摩擦发电的界面分离与接触，以及静电感应耦合，实现机械能到电能的转换利用，输出的电流信号驱动发光二极管。
实施例28
实施例28提供的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件通过外接电路进行整流，将力电转换获得的交流电转化为直流电，对商业电容进行充电，充电后电容为电子手表等小型设备进行功能，整体系统示意图如图3所示。在图3所示的力电转换装置中，采用实施案例24中制备的柔性高分子复合材料与铜片构建一个接触面为3*3cm的力电转换装置，通过机械马达拍打实现摩擦发电界面分离与接触，以及静电感应耦合，实现机械能到电能的转换利用，输出的交流电经外电路整流为直流，对电容进行充电，并能驱动小型设备(如电子手表)。
图4为图3的等效电路示意图。
以上实施案例仅用于说明本发明的几种实施方案，并非因此限制本发明的专利范围，其描述较为具体。本领域的技术人员应当理解，凡在本发明的技术方案基础之上，利用本发明说明书及附图内容进行修改或等同结构替换，或直接运用军包括在本发明专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法，其特征在于：所述电子器件包括力电转换装置、外接电路；其中所述力电转换装置材料具备界面供体，界面供体为高分子聚合物薄膜及其他两种以上不同物体，高分子聚合物薄膜与其他不同物体两者发生接触分离，基于单电极模式的摩擦发电电势的充电泵效应，将机械能转换为电能；
所述高分子聚合物薄膜的原料包括1-5份的丙烯酰胺，0.01份光引发剂，0.005份交联剂，0.005份交联促进剂；
所述高分子聚合物薄膜的制备方法是将原材料溶解于20-40份水中，得到均一透明水溶液，搅拌均匀得到聚合物薄膜材料的前驱体；将所述前驱体倒入凹槽、模具或其他容器，在紫外或可见光下照射固化，得到所述高分子聚合物薄膜；
所述高分子聚合物薄膜拉伸率为1200%。
2.根据权利要求1所述的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法，其特征在于：所述光引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦至少一种。
3.根据权利要求1所述的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法，其特征在于：所述高分子聚合物薄膜的大小、厚度根据控制原材料的份数、模具的大小、形状来调节。
4.根据权利要求3所述的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法，其特征在于：所述高分子聚合物薄膜的形状是根据需要进行人工裁剪成。
5.根据权利要求1所述的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法，其特征在于：所述高分子聚合物薄膜材料的结构选自纳米、多孔、中空、层状、平面、凸起、褶皱中一种或一种以上结构的复合。
6.根据权利要求1所述的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法，其特征在于：所述的力电转换装置选择与高分子聚合物薄膜相匹配的材料作为其他两种以上不同物体发生接触分离摩擦过程，将机械能转换为电能；所述材料选自金属、金属氧化物、半导体、液晶材料、高分子聚合物、纺织物中一种或一种以上材料的复合。
7.根据权利要求1所述的力电转换界面分子复合材料薄膜摩擦电子器件的制备方法，其特征在于：所述外接电路选自输出、整流、储能中一种或一种以上的复合。
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