CN111327224B - 防水驻极材料、驻极方法、及摩擦纳米发电机 - Google Patents

防水驻极材料、驻极方法、及摩擦纳米发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防水驻极材料、驻极方法、及摩擦纳米发电机。其中，防水驻极材料，包括：第一驻极体薄膜；以及防水可固化涂层，覆盖于第一驻极体薄膜之上。其中防水可固化涂层包含：可固化聚合物，以及在可固化聚合物中选择性掺杂的驻极体纳米颗粒/粉末。防水驻极材料依次经过驻极、固化之后得到防水驻极体，结构简单、原料来源简单方便、制备工艺简单、成本很低，并且将其作为摩擦纳米发电机的摩擦层，可以得到一种立即就有巨大输出的摩擦纳米发电机，且该摩擦纳米发电机具有防水、抗湿功能。

Description

防水驻极材料、驻极方法、及摩擦纳米发电机
技术领域
本公开属于驻极技术和摩擦发电技术领域，涉及一种防水驻极材料、驻极方法、及摩擦纳米发电机。
背景技术
驻极体具有体电荷的特性，其电荷不同于摩擦起电，既出现在驻极体表面，又存在于驻极体内部，驻极体可以提供一个稳定的电场，在电子材料领域逐渐显示出应用潜力，可应用于电子器件和电工测量仪表以及空气过滤等方面。但是通常驻极体没有防水性，驻完极后经水流冲刷，其带电量会锐减，甚至变为0，且不可恢复。而随着电子元器件的广泛使用，对于防水器件的需求也越来越迫切，因此亟需提出一种防水的驻极体，能够耐受极端环境，比如高湿度、水下环境等的影响，并且制备工艺简单、成本低。
接触分离式摩擦发电机，通过周期性垂直方向上的接触分离，产生摩擦电荷，通过静电感应效应进而产生交流电。这种摩擦发电机可收集各类振动能量，并将其转化为电能，但是其缺点就是：摩擦层产生摩擦电荷需一段时间的“预热”，也就是说摩擦发电机不能一开始就产生最大的输出；并且，摩擦电荷只存在于表面，易于消散。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种防水驻极材料、驻极方法、及摩擦纳米发电机，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种防水驻极材料，包括：第一驻极体薄膜；以及防水可固化涂层，覆盖于第一驻极体薄膜之上，该防水可固化涂层包含：可固化聚合物。
在本公开的一些实施例中，可固化聚合物中可选择性掺杂驻极体纳米颗粒/粉末，驻极体纳米颗粒/粉末在可固化聚合物中的掺杂质量比介于0～50％之间。
在本公开的一些实施例中，防水可固化涂层的厚度介于80μm～200μm之间。
在本公开的一些实施例中，第一驻极体薄膜的材料包括如下材料中的一种或几种：PTFE、PP、PCTEF、PVDF、E-TFE、teflon AF、P(VDF-TrFE)、PI、PET、PE、COC以及FEP；和/或可固化聚合物包括如下材料中的一种或几种：PDMS、Eco-Flex；和/或驻极体纳米颗粒/粉末包括如下材料中的一种或几种：PTFE、FEP、PP、PCTEF、PVDF、E-TFE、teflon AF、P(VDF-TrFE)、PI、PET、PE、COC以及PFA。
根据本公开的另一个方面，提供了一种驻极方法，包括：将固化之前的防水可固化涂层涂覆于第一驻极体薄膜上，得到防水驻极材料，其中，该防水可固化涂层包含：可固化聚合物；对防水驻极材料进行驻极处理；以及在防水驻极材料进行驻极处理完成后，进行固化处理，得到防水驻极体。
在本公开的一些实施例中，可固化聚合物中可选择性掺杂驻极体纳米颗粒/粉末，驻极体纳米颗粒/粉末在可固化聚合物中的掺杂质量比介于0～50％之间。
在本公开的一些实施例中，固化之前的防水可固化涂层在第一驻极体薄膜上的涂覆厚度介于80μm～200μm之间。
在本公开的一些实施例中，驻极处理的条件包括：驻极电压介于5kV～7kV之间，驻极距离介于15mm～20mm之间。
根据本公开的又一个方面，提供了一种摩擦纳米发电机，其中至少一个摩擦层包含由防水驻极材料依次经过驻极、固化之后得到的防水驻极体，该防水驻极材料包括：第一驻极体薄膜；以及防水可固化涂层，覆盖于第一驻极体薄膜之上，该防水可固化涂层包含：可固化聚合物，以及在可固化聚合物中选择性掺杂的驻极体纳米颗粒/粉末。
在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机，包括：第一基底层；第一电极层，形成于第一基底层之上；第二基底层，与第一基底层相对设置；第二电极层，形成于第二基底层之上；防水驻极体，位于第二电极层之上，作为一个摩擦层；以及弹性层，包围于第一基底层和第二基底层的外侧，使得第一电极层与防水驻极体之间可接触分离。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的防水驻极材料、驻极方法、及摩擦纳米发电机，具有以下有益效果：
在第一驻极体薄膜上涂覆防水可固化涂层，在防水可固化涂层固化之前进行驻极操作，驻极完成之后使防水可固化涂层实现固化，得到防水驻极体，其中，防水可固化涂层包括可固化聚合物，固化之后可以达到防水的效果，使得第一驻极体薄膜中的电荷不易消散，该防水驻极体的结构简单、原料来源简单方便、制备工艺简单、成本很低，并且将其作为摩擦纳米发电机的一个摩擦层，不需要进行电荷的“预热”，可以得到一种立即就有巨大输出的摩擦纳米发电机，且该摩擦纳米发电机具有防水、抗湿功能。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的防水驻极体的结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的防水可固化涂层的制备过程示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的利用驻极装置对防水驻极材料进行驻极得到防水驻极体的驻极过程示意图。
图4为根据本公开一实施例所示的驻极方法的流程图。
图5为根据本公开一实施例所示的含有防水驻极体的摩擦纳米发电机的结构示意图。
【符号说明】
10-第一驻极体薄膜；
20-防水可固化涂层；
21-可固化聚合物； 22-驻极体纳米颗粒/粉末；
31-第一驻极电极板；
311-电晕针阵列；
32-第二驻极电极板；
40-高压电源；
51-第一基底层； 52-第二基底层；
61-第一电极层； 62-第二电极层；
70-弹性层； 80-导线。
具体实施方式
本公开提供了一种防水驻极材料、驻极方法、及摩擦纳米发电机，由防水驻极材料依次经驻极、固化后得到的防水驻极体的结构简单、原料来源简单方便、制备工艺简单、成本很低。将其作为摩擦纳米发电机的摩擦层，可以得到一种立即就有巨大输出的摩擦纳米发电机，且该摩擦纳米发电机具有防水、抗湿功能。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，“防水驻极材料”指的是进行驻极过程之前的不含有体电荷的驻极材料，经过驻极和固化过程后得到防水驻极体，含有体电荷和具备防水功能。“第一驻极体薄膜”指的是用于制作驻极体的薄膜材料，诸如：PTFE薄膜、FEP薄膜、PP膜等；“驻极体纳米颗粒/粉末”指的是驻极体颗粒或粉末二者之一，诸如：PTFE纳米颗粒/粉末、FEP纳米颗粒/粉末、PP纳米颗粒/粉末等。术语“介于之间”包含端点值。“驻极距离”指的是电晕针阵列下端与防水可固化涂层上表面之间的距离。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种防水驻极体。
图1为根据本公开一实施例所示的防水驻极体的结构示意图。
参照图1所示，本公开的防水驻极体，由防水驻极材料依次经过驻极、固化之后得到，其中，防水驻极材料包括：
第一驻极体薄膜10；以及
防水可固化涂层20，覆盖于第一驻极体薄膜10之上，该防水可固化涂层20包含：可固化聚合物21，以及在可固化聚合物21中选择性掺杂的驻极体纳米颗粒/粉末22。
下面结合附图，对本实施例的防水驻极体的各个部分进行详细介绍。
本实施例中，防水驻极材料中的防水可固化涂层20在驻极之前为液态；经过驻极过程，使电荷捕获于防水驻极材料中的第一驻极体薄膜10中、以及第一驻极体薄膜10与防水可固化涂层20之间的界面上；然后再经过固化过程，使得防水可固化涂层20由液态转变为固态，此时，固化后的防水可固化涂层20作为防护层，保护被第一驻极体薄膜10捕获的电荷，形成一种耐受极端环境影响的驻极体，这种驻极体即使在水中浸泡过，其内部的电荷也可以较好的保存。
本实施例中，第一驻极体薄膜10的材料为用于制作驻极体的薄膜材料，包括但不限于如下材料中的一种或几种：-PTFE(聚四氟乙烯)、PP(聚丙烯)、PFA(可溶性聚四氟乙烯)、PCTEF(聚三氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙烯)、E-TFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、teflon AF(用乙烯环氧化脂肪代替乙烯的氟化共聚物)、P(VDF-TrFE)(偏氟乙烯三氟乙烯共聚物)、PI(聚酰亚胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PE(聚乙烯)、COC(环稀共聚物)以及FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)。
本实施例中，可固化聚合物21的材料为常温下为液态，经过固化处理后转变为固态的聚合物材料，包括但不限于如下材料中的一种或几种：PDMS(聚二甲基硅氧烷)、Eco-Flex等。
本实施例中，在可固化聚合物21中可选择性掺杂驻极体纳米颗粒/粉末22，即可以选择掺杂或者不掺杂驻极体纳米颗粒/粉末22，单纯使用可固化聚合物21，经驻极、固化后可以保证最终获得的驻极体的防水性能；在可固化聚合物21中掺杂驻极体纳米颗粒/粉末22之后，不仅可以保证最终获得的驻极体的防水性能，还能够提高驻极体的电荷保持能力。其中，驻极体纳米颗粒/粉末22的材料包括但不限于如下材料中的一种或几种：PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)、PP(聚丙烯)、PCTEF(聚三氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙烯)、E-TFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、teflonAF(用乙烯环氧化脂肪代替乙烯的氟化共聚物)、P(VDF-TrFE)(偏氟乙烯三氟乙烯共聚物)、PI(聚酰亚胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PE(聚乙烯)、COC(环稀共聚物)及PFA(可溶性聚四氟乙烯)等。
图2为根据本公开一实施例所示的防水可固化涂层的制备过程示意图。
参照图2所示，在一实例中，可固化聚合物21为液态PDMS，驻极体纳米颗粒/粉末22为：粒径约为200nm的PTFE纳米颗粒，二者以一定的质量比进行混合，并搅拌均匀，在60℃～75℃的环境中进行处理，经过固化过程，则得到防水可固化涂层20。其中，PTFE纳米颗粒的质量比介于0～50％之间，例如为：0(不掺杂)、15％、25％、50％等。驻极体纳米颗粒/粉末22的质量比不超过50％，若质量比超过50％，则可固化聚合物21与驻极体纳米颗粒/粉末22的均匀混合比较难实现。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种驻极方法。
图3为根据本公开一实施例所示的利用驻极装置对防水驻极材料进行驻极得到防水驻极体的驻极过程示意图。图4为根据本公开一实施例所示的驻极方法的流程图。
结合图3和图4所示，本公开的驻极方法，包括：
步骤S402：将固化之前的防水可固化涂层涂覆于第一驻极体薄膜上，得到防水驻极材料；
本步骤S402中，防水可固化涂层20包含：可固化聚合物21，以及在可固化聚合物21中选择性掺杂的驻极体纳米颗粒/粉末22，本实施例中，在可固化聚合物21中掺杂驻极体纳米颗粒/粉末22，可固化聚合物21为液态PDMS，驻极体纳米颗粒/粉末22为粒径约200nm的PTFE纳米颗粒，二者以一定的质量比进行混合，并搅拌均匀；然后将混合均匀的液态PDMS与PTFE纳米颗粒的混合物均匀涂覆于第一驻极体薄膜10上，得到防水驻极材料。
本实施例中，第一驻极体薄膜10的厚度介于90μm～110μm之间，这里选用100μm。
本实施例中，驻极体纳米颗粒/粉末22在可固化聚合物21中的掺杂质量比介于0～50％之间；可固化聚合物21与驻极体纳米颗粒/粉末22混合物在第一驻极体薄膜上的涂覆厚度介于80μm～200μm之间，且涂覆的厚度越大，后续进行驻极获得的驻极效果越好，即获得的驻极体电性能越好。
步骤S404：对防水驻极材料进行驻极处理；
本步骤S404中，在防水可固化涂层固化之前，对防水驻极材料进行驻极处理。
参照图3所示，本实施例中，用于给防水驻极材料进行驻极的驻极装置，包括：第一驻极电极板31，其上设置有电晕针阵列311；第二驻极电极板32，与第一驻极电极板31相对设置并接地；以及高压电源40，在第一驻极电极板31和第二驻极电极板32间施加电压。
本实施例中，电晕针阵列311包含若干呈方形阵列分布的电晕针，但本公开中电晕针的分布方式不局限于方形阵列，还可以是其他类型的阵列分布形式。
本实施例中，在防水可固化涂层20固化之前，将防水驻极材料置于第二驻极电极板32之上，利用高压电源40在第一驻极电极板31和第二驻极电极板32之间加载驻极电压，进行驻极处理过程。优选的，驻极电压介于5kV～7kV之间，驻极距离介于15mm～20mm之间。
在驻极处理过程中，由于在第一驻极电极板31和第二驻极电极板32之间加载了高压，例如第一驻极电极板31与高压电源40负极相连，第二驻极电极板32与高压电源40正极相连并接地，空气在电晕针的针尖处被电离，在第一驻极电极板31的电晕针阵列311处产生大量的负电荷，这些负电荷在电场的牵引下，向防水可固化涂层20以及第一驻极体薄膜10轰击，由于防水可固化涂层20还未固化，为半固态，负电荷在电场力的作用下，可以穿过防水可固化涂层20，到达防水可固化涂层20以及第一驻极体薄膜10之间的界面处，负电荷被防水可固化涂层20中的驻极体纳米颗粒/粉末22、以及第一驻极体薄膜10所捕获，因此经过驻极处理的过程之后，在防水驻极材料中的第一驻极体薄膜10中、以及第一驻极体薄膜10与防水可固化涂层20之间的界面上均捕获有电荷。
步骤S406：在防水驻极材料进行驻极处理完成后，进行固化处理，得到防水驻极体；
本实施例中，固化处理的温度介于60℃～75℃之间。
固化处理之后，防水驻极材料中的防水可固化涂层20变为固态，该固态的防水可固化涂层20起到保护作用，使得第一驻极体薄膜10中、以及第一驻极体薄膜10与防水可固化涂层20之间的界面上捕捉的电荷可在一定程度上耐受外界环境的影响。
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种摩擦纳米发电机。
图5为根据本公开一实施例所示的含有防水驻极体的摩擦纳米发电机的结构示意图。
本公开的摩擦纳米发电机，由防水驻极体作为至少一个摩擦层，该防水驻极体由防水驻极材料依次经过驻极、固化之后得到，其中，防水驻极材料包括：第一驻极体薄膜10；以及防水可固化涂层20，覆盖于第一驻极体薄膜10之上，包含：可固化聚合物21，在可固化聚合物21中可选择性掺杂驻极体纳米颗粒/粉末22。
这里的至少一个摩擦层的含义为：摩擦纳米发电机的其中一个摩擦层为防水驻极体；或者两个摩擦层均为防水驻极体，这两个作为摩擦层的防水驻极体带有不同的电荷，具有电负性差异。
由于该防水驻极体的结构简单、原料来源简单方便、制备工艺简单、成本很低，并且将其作为摩擦纳米发电机的摩擦层，可以得到一种立即就有巨大输出的摩擦纳米发电机，且该摩擦纳米发电机具有防水、抗湿功能。
参照图5所示，在一实施例中，该摩擦纳米发电机，包括：
第一基底层51；
第一电极层61，形成于第一基底层51之上；
第二基底层52，与第一基底层51相对设置；
第二电极层62，形成于第二基底层52之上；
防水驻极体，位于第二电极层62之上，作为一个摩擦层；以及
弹性层70，包围于第一基底层51和第二基底层52的外侧，使得第一电极层61与防水驻极体之间可接触分离、可摩擦。
在本公开的一实施例中，防水驻极体由防水驻极材料依次经过驻极、固化之后得到，其中，防水驻极材料包括：第一驻极体薄膜10；以及防水可固化涂层20，覆盖于第一驻极体薄膜10之上，该防水可固化涂层20包含：可固化聚合物21，以及在可固化聚合物21中选择性掺杂的驻极体纳米颗粒/粉末22。
在本公开的一实施例中，第一基底层51、第二基底层52均为PMMA板；第一电极层61、第二电极层62均为金属电极；弹性层70为PET薄膜，使得该摩擦纳米发电机的两个摩擦层在接触之后可以自发弹起实现分离，第一驻极体薄膜10为PTFE薄膜，防水可固化涂层20为PDMS及PTFE纳米颗粒的混合物，图5中还示意出了从两个电极层引出的导线80。
综上所述，本公开提供了一种防水驻极材料、驻极方法、及摩擦纳米发电机，通过在第一驻极体薄膜上涂覆防水可固化涂层，在防水可固化涂层固化之前进行驻极操作，驻极完成之后使防水可固化涂层实现固化，得到防水驻极体，其中，防水可固化涂层包括可固化聚合物，固化之后可以达到防水的效果，使得第一驻极体薄膜中的电荷不受影响，另外，还可以在可固化聚合物中掺混驻极体纳米颗粒/粉末，以提高防水驻极体的电性能，该防水驻极体的结构简单、原料来源简单方便、制备工艺简单、成本很低，将其作为摩擦纳米发电机的一个摩擦层，可以得到一种立即就有巨大输出的摩擦纳米发电机，且该摩擦纳米发电机具有防水、抗湿功能。
需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种驻极方法，包括：
将固化之前的防水可固化涂层涂覆于第一驻极体薄膜上，得到防水驻极材料，其中，该防水可固化涂层包含：可固化聚合物，其中，所述可固化聚合物中可选择性掺杂驻极体纳米颗粒/粉末；
对防水驻极材料进行驻极处理；以及
在防水驻极材料进行驻极处理完成后，进行固化处理，得到防水驻极体。
2.根据权利要求1所述的驻极方法，所述驻极体纳米颗粒/粉末在可固化聚合物中的掺杂质量比介于0～50％之间。
3.根据权利要求1所述的驻极方法，其中，
所述第一驻极体薄膜的材料包括如下材料中的一种或多种：PTFE、PP、PCTEF、PVDF、E-TFE、teflon AF、P(VDF-TrFE)、PI、PET、PE、COC以及FEP；和/或
所述可固化聚合物包括如下材料中的一种或多种：PDMS、Eco-Flex；和/或
所述驻极体纳米颗粒/粉末包括如下材料中的一种或多种：PTFE、FEP、PP、PCTEF、PVDF、E-TFE、teflon AF、P(VDF-TrFE)、PI、PET、PE、COC以及PFA。
4.根据权利要求1所述的驻极方法，其中，所述固化之前的防水可固化涂层在第一驻极体薄膜上的涂覆厚度介于80μm～200μm之间。
5.根据权利要求1至4任一项所述的驻极方法，其中，所述驻极处理的条件包括：
驻极电压介于5kV～7kV之间，驻极距离介于15mm～20mm之间。
6.一种防水驻极体，为一防水驻极材料依次经过驻极、固化之后得到的防水驻极体，所述防水驻极体采用权利要求1-5中任一项所述的方法制备得到；
该防水驻极材料包括：
第一驻极体薄膜；以及
防水可固化涂层，覆盖于第一驻极体薄膜之上，该防水可固化涂层包含：可固化聚合物，以及在可固化聚合物中选择性掺杂的驻极体纳米颗粒/粉末。
7.一种摩擦纳米发电机，其中至少一个摩擦层包含由防水驻极材料依次经过驻极、固化之后得到的防水驻极体，所述防水驻极体采用权利要求1-5中任一项所述的方法制备得到，该防水驻极材料包括：
第一驻极体薄膜；以及
防水可固化涂层，覆盖于第一驻极体薄膜之上，该防水可固化涂层包含：可固化聚合物，以及在可固化聚合物中选择性掺杂的驻极体纳米颗粒/粉末。
8.根据权利要求7所述的摩擦纳米发电机，包括：
第一基底层；
第一电极层，形成于第一基底层之上；
第二基底层，与第一基底层相对设置；
第二电极层，形成于第二基底层之上；
防水驻极体，位于第二电极层之上，作为一个摩擦层；以及
弹性层，包围于第一基底层和第二基底层的外侧，使得第一电极层与防水驻极体之间可接触分离。
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