CN111635543A - 利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层及其制备方法，引入的介电夹层使得聚酰亚胺的储存电荷能力与铁电材料产生剩余极化的能力耦合到一起，有效提高了所得摩擦纳米发电机的输出性能；与不含有聚酰亚胺@钛酸铋钠‑钛酸锶复合夹层摩擦纳米发电机的相比，本发明提供的摩擦纳米发电机的输出性能是其3.20倍；与仅含有聚酰亚胺（PI）夹层的摩擦纳米发电机的相比，本发明提供的摩擦纳米发电机的输出性能是其2.14倍；与含过量聚酰亚胺@钛酸铋钠‑钛酸锶复合夹层摩擦纳米发电机的相比，本发明提供的摩擦纳米发电机的输出性能是其1.38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。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，，特别涉及利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层及其制备方法。
背景技术
在过去的几年间，摩擦纳米发电机取得了快速的发展；摩擦纳米发电机将摩擦生电与静电感应效应耦合到一起，能够将复杂环境中的低频机械能直接转变为电能，再经过整流电路或储能电路后能够驱动微型电子器件，基于上述优势，摩擦纳米发电机广泛应用于人机交互、电子皮肤、生物医疗等领域；因此提高摩擦纳米发电机的输出性能至关重要。
大量工作表明夹层结构的存在可有效提高摩擦纳米发电机的输出性能；比如，2017年发表在《NanoEnergy》第38卷，第467–476页的论文指出，聚酰亚胺夹层可作电荷存储层，有效提高相应摩擦纳米发电机的输出性能；此外，2017年发表在《NatureCommunications》第8卷，第88期的论文指出，采用铁电材料作为夹层可以有效将铁电材料产生的剩余极化与摩擦层表面的静电荷耦合到一起；然而，对于摩擦电纳米发电机的继续前景而言，目前的研究工作还是存在许多不足，摩擦纳米发电机的输出电性能还有待进一步提高；通过引入介电夹层并进一步结合聚酰亚胺的储能效果与铁电材料的剩余极化产生的束缚电荷将是很好的研究方向。
发明内容
本发明的目的是研发了一种利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层，所制得的摩擦层由聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层及聚偏氟乙烯层组成；复合夹层的厚度为10μm~50μm；聚偏氟乙烯层的厚度为10μm~200μm；引入的介电夹层使得聚酰亚胺的储存电荷能力与铁电材料产生剩余极化的能力耦合到一起，有效提高了所得摩擦纳米发电机的输出性能；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：一种利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层，其特征在于,所述的摩擦层由聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层及聚偏氟乙烯层组成；所述的复合夹层的厚度为10μm~50μm，所述的聚偏氟乙烯层的厚度为10μm~200μm。
上述利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将1g二氨基二苯醚及1.09g均苯四甲酸酐溶解于25ml二甲基甲酰胺中，加入一定质量分数的钛酸铋钠-钛酸锶微米陶瓷颗粒，搅拌12h，得到含有钛酸铋钠-钛酸锶陶瓷颗粒及聚酰亚胺前驱体的固液混合物；
2）将步骤1）所得固液混合物进行静电雾化，施加电压为10kV~20kV，接收距离为8cm，得到复合膜前驱体；
3）将步骤2）所得复合膜前驱体在60MPa及80℃下热压2h,在100℃保温1h，在150℃保温1h，在200℃保温2h，在250℃保温2h，最后在300℃保温2h，得到聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层；
4）在步骤3）所得复合夹层上采用静电纺丝法镀一层聚偏氟乙烯膜，纺丝距离为8cm，纺丝电压为12.5kV，得到具有复合夹层的摩擦层。
更具体的，在所述聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层中钛酸铋钠-钛酸锶的质量分数在50%到65%之间。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层及其制备方法，引入的介电夹层使得聚酰亚胺的储存电荷能力与铁电材料产生剩余极化的能力耦合到一起，有效提高了所得摩擦纳米发电机的输出性能；与不含有聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层摩擦纳米发电机的相比，本发明提供的摩擦纳米发电机的输出性能是其3.20倍；与仅含有聚酰亚胺（PI）夹层的摩擦纳米发电机的相比，本发明提供的摩擦纳米发电机的输出性能是其2.14倍；与含过量聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层摩擦纳米发电机的相比，本发明提供的摩擦纳米发电机的输出性能是其1.38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为本发明提供的摩擦层的结构示意图。
图2为本发明实施例1所得摩擦层组装成的摩擦纳米发电机与不含有聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层摩擦纳米发电机，仅含有聚酰亚胺夹层的摩擦纳米发电机及含过量钛酸铋钠-钛酸锶（70%）的复合夹层摩擦纳米发电机的性能对比图。
图3为聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶（PI@MP）复合夹层中含有不同钛酸铋钠-钛酸锶微米陶瓷颗粒（MP）质量分数的极化值对比图。
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。
一种利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层的制备方法，包括如下步骤：
1）将1g二氨基二苯醚及1.09g均苯四甲酸酐溶解于25ml二甲基甲酰胺中，加入一定质量分数的钛酸铋钠-钛酸锶微米陶瓷颗粒，搅拌12h，得到含有钛酸铋钠-钛酸锶陶瓷颗粒及聚酰亚胺前驱体的固液混合物；
2）将步骤1）所得固液混合物进行静电雾化，施加电压为10kV~20kV，接收距离为8cm，得到复合膜前驱体；
3）将步骤2）所得复合膜前驱体在60MPa及80℃下热压2h,在100℃保温1h，在150℃保温1h，在200℃保温2h，在250℃保温2h，最后在300℃保温2h，得到聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层；
4）在步骤3）所得复合夹层上采用静电纺丝法镀一层聚偏氟乙烯膜，纺丝距离为8cm，纺丝电压为12.5kV，得到具有复合夹层的摩擦层。
实施例1
1）将1g二氨基二苯醚及1.09g均苯四甲酸酐溶解于25ml二甲基甲酰胺中，加入一定质量分数的钛酸铋钠-钛酸锶微米陶瓷颗粒，搅拌12h，得到含有钛酸铋钠-钛酸锶陶瓷颗粒及聚酰亚胺前驱体的固液混合物；
2）将步骤1）所得固液混合物进行静电雾化，施加电压为15kV，接收距离为8cm，得到复合膜前驱体；
3）将步骤2）所得复合膜前驱体在60MPa及80℃下热压2h,在100℃保温1h，在150℃保温1h，在200℃保温2h，在250℃保温2h，最后在300℃保温2h，得到聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层，在该复合夹层中钛酸铋钠-钛酸锶微米陶瓷颗粒的质量分数为60%；
4）在步骤3）所得复合夹层上采用静电纺丝法镀一层聚偏氟乙烯膜，纺丝距离为8cm，纺丝电压为12.5kV，得到具有复合夹层的摩擦层（见图1）。
对比例1（不含有聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层的摩擦层）
1）采用静电纺丝法镀一层聚偏氟乙烯膜，纺丝距离为8cm，纺丝电压为12.5kV，得到不含有聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层的摩擦层。
对比例2（仅含有聚酰亚胺夹层的摩擦层）
1）将1g二氨基二苯醚及1.09g均苯四甲酸酐溶解于25ml二甲基甲酰胺中，搅拌12h，得到聚酰亚胺前驱体的溶液；
2）将步骤1）所得聚酰亚胺前驱体的溶液进行静电雾化，施加电压为10kV，接收距离为8cm，得到聚酰亚胺前驱体膜；
3）将步骤2）所得聚酰亚胺前驱体膜在60MPa及80℃下热压2h,在100℃保温1h，在150℃保温1h，在200℃保温2h，在250℃保温2h，最后在300℃保温2h，得到聚酰亚胺膜，在该膜中钛酸铋钠-钛酸锶微米陶瓷颗粒的质量分数为0；
4）在步骤3）所得膜上采用静电纺丝法镀一层聚偏氟乙烯膜，纺丝距离为8cm，纺丝电压为12.5kV，得到仅含有聚酰亚胺夹层的摩擦层。
对比例3（含过量钛酸铋钠-钛酸锶（70%）的复合夹层的摩擦层）
1）将1g二氨基二苯醚及1.09g均苯四甲酸酐溶解于25ml二甲基甲酰胺中，搅拌12h，得到聚酰亚胺前驱体的溶液；
2）将步骤1）所得聚酰亚胺前驱体的溶液进行静电雾化，施加电压为20kV，接收距离为8cm，得到聚酰亚胺前驱体膜；
3）将步骤2）所得聚酰亚胺前驱体膜在60MPa及80℃下热压2h,在100℃保温1h，在150℃保温1h，在200℃保温2h，在250℃保温2h，最后在300℃保温2h，得到聚酰亚胺膜，在该膜中钛酸铋钠-钛酸锶微米陶瓷颗粒的质量分数为70%；
4）在步骤3）所得膜上采用静电纺丝法镀一层聚偏氟乙烯膜，纺丝距离为8cm，纺丝电压为12.5kV，得到含过量钛酸铋钠-钛酸锶（70%）的复合夹层的摩擦层。
结果分析
由图2可知，与不含有聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层摩擦纳米发电机的相比，本发明实施例1中提供的摩擦纳米发电机的输出性能是其3.20倍；与仅含有聚酰亚胺（PI）夹层的摩擦纳米发电机的相比，本发明实施例1中提供的摩擦纳米发电机的输出性能是其2.14倍；与含过量聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层摩擦纳米发电机的相比，本发明实施例1中提供的摩擦纳米发电机的输出性能是其1.38倍。以上结果表明，与不含有夹层材料的摩擦层相比，使用PI作为夹层的摩擦层及使用大量铁电材料（即钛酸铋钠-钛酸锶）作为夹层的摩擦层分别由于PI储存电荷的性能及铁电材料产生剩余极化的作用，有效提高了材料的电性能。而本发明提供的具有复合夹层的摩擦层由于将PI储存电荷的性能及铁电材料产生剩余极化的作用耦合到了一起，具有更好的输出电性能。图3反映了复合夹层中随着钛酸铋钠-钛酸锶质量分数的提高，材料剩余极化值的变化情况。由图可知，随着钛酸铋钠-钛酸锶质量分数的提高，材料的剩余极化值逐渐提高，但是相应摩擦层的输出电压确先增后减（见图2）。当钛酸铋钠-钛酸锶质量分数不超过60%时，随着钛酸铋钠-钛酸锶质量分数的提高，摩擦层的输出电压逐渐提高。当钛酸铋钠-钛酸锶质量分数超过60%时，随着钛酸铋钠-钛酸锶质量分数的提高，摩擦层的输出电压逐渐减小，这从侧面说明了本发明提供的具有复合夹层的摩擦层由于将PI储存电荷的性能及铁电材料产生剩余极化的作用耦合到了一起，具有更好的输出电性能。
综上所述，本发明制备得到一种利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层，引入的复合夹层使得聚酰亚胺的储存电荷能力与铁电材料产生剩余极化的能力耦合到一起。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 (3)
1.一种利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层，其特征在于，所述的摩擦层由聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层及聚偏氟乙烯层组成；所述的复合夹层的厚度为10μm~50μm，所述的聚偏氟乙烯层的厚度为10μm~200μm。
2.根据权利要求1所述的利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将1g二氨基二苯醚及1.09g均苯四甲酸酐溶解于25ml二甲基甲酰胺中，加入一定质量分数的钛酸铋钠-钛酸锶微米陶瓷颗粒，搅拌12h，得到含有钛酸铋钠-钛酸锶微米陶瓷颗粒及聚酰亚胺前驱体的固液混合物；
2）将步骤1）所得固液混合物进行静电雾化，施加电压为10kV~20kV，接收距离为8cm，得到复合膜前驱体；
3）将步骤2）所得复合膜前驱体在60MPa及80℃下热压2h,在100℃保温1h，在150℃保温1h，在200℃保温2h，在250℃保温2h，最后在300℃保温2h，得到聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层；
4）在步骤3）所得复合夹层上采用静电纺丝法镀一层聚偏氟乙烯膜，纺丝距离为8cm，纺丝电压为12.5kV，得到具有复合夹层的摩擦层。
3.根据权利要求2所述的利用复合夹层提高纳米发电机电性能的摩擦层的制备方法，其特征在于，所述的聚酰亚胺@钛酸铋钠-钛酸锶复合夹层中钛酸铋钠-钛酸锶微米陶瓷颗粒的质量分数为50%到65%。
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