CN111844705B - 一种封闭式摩擦纳米发电机及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种封闭式摩擦纳米发电机及其使用方法。在本发明中，双向拉伸尼龙膜相比流延法制备的尼龙膜具有更小的晶面间隙、更高的结晶度和更均一的晶粒尺寸，这使得双向拉伸尼龙获得了拉伸强度和拉伸模量的显著提升，与此同时断裂伸长率发生了明显下降；尼龙膜机械性能的提升有助于提高摩擦发电过程中器件性能的稳定性；更加均一化的结晶态结构和结晶度有助于提升摩擦发电的输出性能，实施例结果表明，采用了双向拉伸尼龙膜的摩擦纳米发电机输出电压和电流都有明显提升。

Description

一种封闭式摩擦纳米发电机及其使用方法

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种封闭式摩擦纳米发电机及其使用方法。

背景技术

纳米发电机是一种新兴的将机械能转化为电能的小型装置。其针对目前人类面临的能源需求大增和清洁能源产量不足的问题，提出了一种独特的将日常生活中的机械能转化为电能的新技术。

摩擦纳米发电机基于摩擦电效应和静电感应效应的耦合作用，主要采用两种摩擦电性能不同的材料，当材料接触时会在两种材料表面分别产生正负电荷，当材料分离时则会在外电路产生一个瞬时电流。这样随着两种材料的不断接触和分离，就可将机械能转化为电能。相比传统压电材料，摩擦纳米发电机具有高能量转化率、高输出功率、高灵敏度、高适应性和低成本等优势。

实现摩擦纳米发电机的集成化、提高其性能稳定性是实现其更广泛实际应用需要克服的一个难题。研究发现尼龙具有良好的正电性，经常被用做摩擦纳米发电机的正极材料，但采用不同工艺成型的具有不同晶态的尼龙膜的发电性能尚未有研究报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种封闭式摩擦纳米发电机及其使用方法。本发明采用双向拉伸尼龙膜作为摩擦纳米发电机的正电材料，能够提高摩擦纳米发电过程中器件的稳定性，有利于提升摩擦发电的输出性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种双向拉伸尼龙膜作为摩擦纳米发电机正电材料的应用。

本发明提供了一种封闭式摩擦纳米发电机，包括封闭腔体、设置于所述封闭腔体内的内部电极和导线；所述内部电极的外表面附着有双向拉伸尼龙膜；所述封闭腔体的顶部和底部设置聚四氟乙烯膜；

所述导线包括正极导线和负极导线；所述正极导线的一端与所述内部电极相连，另一端连接负载或储能装置；所述负极导线的一端与所述封闭腔体顶部和底部的聚四氟乙烯膜相连，另一端连接所述负载或储能装置。

优选地，所述双向拉伸尼龙膜的拉伸倍率为1~3倍；所述双向拉伸尼龙膜的厚度为0.1~0.5mm。

优选地，所述双向拉伸尼龙膜的制备方法包括以下步骤：采用熔融流延法制备得到尼龙膜；对所述尼龙膜进行同步双向拉伸，得到双向拉伸尼龙膜。

优选地，所述聚四氟乙烯膜的厚度≤1mm。

优选地，所述内部电极设置于所述封闭腔体的中部；所述内部电极为铜板。

优选地，所述封闭腔体侧壁的材质为绝缘体。

本发明提供了上述技术方案所述封闭式摩擦纳米发电机的使用方法，包括以下步骤：

在外力作用下，聚四氟乙烯膜与双向拉伸尼龙膜接触，使双向拉伸尼龙膜带正电，聚四氟乙烯膜带负电；

去除外力作用，所述聚四氟乙烯膜与双向拉伸尼龙膜分离，聚四氟乙烯膜与双向拉伸尼龙膜间的电势差导致外电路产生瞬时电流，所述电流输送到负载或储能装置中。

优选地，所述外力包括机械能。

本发明提供了一种双向拉伸尼龙膜作为摩擦纳米发电机正电材料的应用。在本发明中，双向拉伸尼龙膜相比流延法制备的尼龙膜具有更小的晶面间隙、更高的结晶度和更均一的晶粒尺寸，这使得双向拉伸尼龙获得了拉伸强度和拉伸模量的显著提升，与此同时断裂伸长率发生了明显下降；尼龙膜机械性能的提升有助于提高摩擦发电过程中器件性能的稳定性；更加均一化的结晶态结构和结晶度有助于提升摩擦发电的输出性能，实施例结果表明，采用了双向拉伸尼龙膜的摩擦纳米发电机输出电压和电流都有明显提升。

本发明还提供了一种封闭式摩擦纳米发电机，包括封闭腔体、设置于所述封闭腔体内的内部电极和导线；所述内部电极的外表面附着有双向拉伸尼龙膜；所述封闭腔体的顶部和底部设置聚四氟乙烯膜；所述导线包括正极导线和负极导线；所述正极导线的一端与所述内部电极相连，另一端连接负载或储能装置；所述负极导线的一端与所述封闭腔体顶部和底部的聚四氟乙烯膜相连，另一端连接所述负载或储能装置。

本发明提供的摩擦纳米发电机为封闭式，相比于开放式结构，能够避免污染和湿度的影响，提高工作的稳定性；所述聚四氟乙烯膜具有良好的疏水性和优异的防污性能，制备的封闭式摩擦纳米发电机能够有效预防器件在工作过程中外界环境对其输出性能的影响，保证输出的稳定性和器件的耐用性；本发明采用双向拉伸尼龙膜和聚四氟乙烯膜分别作为正电材料和负电材料，采用具有防污、防腐作用的聚四氟乙烯作为外部结构，具有良好机械性能和失电子能力的双向拉伸尼龙膜作为内部结构，制备得到一种封闭式、性能稳定、具有表面疏水功能的摩擦纳米发电机，可实现在特殊环境中机械能的收集和转化。

附图说明

图1为本发明实施例采用的封闭式摩擦纳米发电机的示意图；其中，1为封闭腔体，2为内部电极，3为双向拉伸尼龙膜，4为聚四氟乙烯膜，5为正极导线，6为负极导线，7为负载或储能装置；

图2为实施例1制备的双向拉伸尼龙膜和现有技术中流延法制备的尼龙膜的X射线衍射图；

图3为实施例1制备的双向拉伸尼龙膜和现有技术中流延法制备的尼龙膜的差示扫描量热测试曲线；

图4为实施例1制备的双向拉伸尼龙膜和现有技术中流延法制备的尼龙膜的拉伸强度对比图；

图5为实施例1制备的双向拉伸尼龙膜和现有技术中流延法制备的尼龙膜的拉伸模量对比图；

图6为实施例1制备的双向拉伸尼龙膜和现有技术中流延法制备的尼龙膜的断裂伸长率对比图；

图7为实施例1制备的封闭式摩擦纳米发电机的输出电压性能图；

图8为实施例1制备的封闭式摩擦纳米发电机的输出电流性能图；

图9为对比例1制备的摩擦纳米发电机的输出电压性能图；

图10为对比例1制备的摩擦纳米发电机的输出电流性能图；

图11为实施例1制备的封闭式摩擦纳米发电机的表面水接触角测试结果图。

具体实施方式

本发明提供了一种双向拉伸尼龙膜作为摩擦纳米发电机正电材料的应用。在本发明中，双向拉伸尼龙膜相比流延法制备的尼龙膜具有更小的晶面间隙、更高的结晶度和更均一的晶粒尺寸，这使得双向拉伸尼龙获得了拉伸强度和拉伸模量的显著提升，与此同时断裂伸长率发生了明显下降；尼龙膜机械性能的提升有助于提高摩擦发电过程中器件性能的稳定性；更加均一化的结晶态结构和结晶度有助于提升摩擦发电的输出性能。

本发明提供了一种封闭式摩擦纳米发电机，包括封闭腔体、设置于所述封闭腔体内的内部电极和导线；所述内部电极的外表面附着有双向拉伸尼龙膜；所述封闭腔体的顶部和底部设置聚四氟乙烯膜；所述导线包括正极导线和负极导线；所述正极导线的一端与所述内部电极相连，另一端连接负载或储能装置；所述负极导线的一端与所述封闭腔体顶部和底部的聚四氟乙烯膜相连，另一端连接所述负载或储能装置。

本发明提供的封闭式摩擦纳米发电机包括封闭腔体，用于密封摩擦纳米发电机，提高发电机性能的稳定性。在本发明中，所述封闭腔体的顶部和底部为聚四氟乙烯膜；所述封闭腔体侧壁的材质优选为绝缘体，具体优选为硅胶、树脂、亚克力或聚丙烯。在本发明中，所述封闭腔体的高度优选为1~1.5cm。

在本发明中，所述聚四氟乙烯膜的厚度优选≤1mm，更优选为0.2~1mm。在本发明中，所述聚四氟乙烯膜优选为实心的聚四氟乙烯膜或膨胀的聚四氟乙烯膜。在本发明中，所述膨胀的聚四氟乙烯膜有利于进一步提高摩擦发电的输出性能。在本发明中，顶部和底部的聚四氟乙烯膜作为负电材料不仅能够提高摩擦纳米发电机的输出性能，而且能够确保整个器件的密封性和抗污性。

本发明提供的封闭式摩擦纳米发电机包括设置于所述封闭腔体内的内部电极，所述内部电极的外表面附着有双向拉伸尼龙膜，用于产生正电荷。在本发明中，所述内部电极优选为铜板，所述内部电极的厚度优选为0.5~1mm。在本发明中，所述内部电极优选设置于所述封闭腔体的中部，具体优选将所述内部电极的两端固定在所述封闭腔体的侧壁上。

在本发明中，所述双向拉伸尼龙膜与所述内部电极的连接方式优选为采用胶水粘结。

在本发明中，所述双向拉伸尼龙膜的拉伸倍率优选为1~3倍；所述双向拉伸尼龙膜的厚度优选为0.1~0.5mm。本发明控制双向拉伸尼龙膜的拉伸倍率和厚度在上述范围能够提高双向拉伸尼龙膜结晶度和力学性能的同时避免膜过薄而影响发电性能和稳定性。

在本发明中，所述双向拉伸尼龙膜的制备方法优选包括以下步骤：采用熔融流延法制备得到尼龙膜；对所述尼龙膜进行同步双向拉伸，得到双向拉伸尼龙膜。本发明对所述熔融流延法的具体工艺没有特殊限定，采用本领域技术人员所熟知的工艺即可。在本发明中，所述尼龙膜的厚度优选为1~2mm。在本发明中，所述同步双向拉伸优选在160~200℃条件下进行，更优选为180℃，作用是诱导尼龙分子链取向结晶。本发明优选在所述同步双向拉伸完成后，经冷却定型后得到双向拉伸尼龙膜。

本发明提供的封闭式摩擦纳米发电机还包括导线，用于收集电流。在本发明中，所述导线包括正极导线和负极导线；所述正极导线的一端与所述内部电极相连，另一端连接负载或储能装置；所述负极导线的一端与所述聚四氟乙烯膜相连，另一端连接所述负载或储能装置。在本发明中，所述负极导线的一端优选分为两个支路，分别连接所述封闭腔体顶部的聚四氟乙烯膜和底部的聚四氟乙烯膜。

本发明还提供了上述技术方案所述封闭式摩擦纳米发电机的使用方法，包括以下步骤：

在外力作用下，聚四氟乙烯膜与双向拉伸尼龙膜接触，使双向拉伸尼龙膜带正电，聚四氟乙烯膜带负电；

去除外力作用，所述聚四氟乙烯膜与双向拉伸尼龙膜分离，材料间的电势差导致外电路产生瞬时电流，所述电流输送到负载或储能装置中。

在本发明中，所述外力优选包括机械能。利用本发明提供的封闭式摩擦纳米发电机能够收集人体运动机械能以及各种器械往复运动的机械能，将其转化为电能。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

双向拉伸尼龙膜的制备：采用熔融流延法制备厚度为1mm的尼龙膜；尼龙膜冷却定型后，采用同步双向拉伸装置对所述尼龙膜在180℃条件下进行同步双向拉伸，拉伸倍率为2倍；经充分冷却定型后，得到双向拉伸尼龙膜；

本实施例提供的封闭式摩擦纳米发电机如图1所示，采用铜板作为内部电极（厚度为0.5mm），在其上下面粘附所述双向拉伸尼龙膜；将所述内部电极固定在封闭腔体（高度为1cm）的内壁上，使双向拉伸尼龙膜置于封闭腔体的内部中间位置，并在内部电极的一侧引出连接正电材料的正极导线；采用厚度为1mm的聚四氟乙烯膜作为上下包覆层对封闭腔体进行密封，并从上下聚四氟乙烯膜引出负极导线；所述正极导线和负极导线直接与负载或储能装置连接。

该封闭式摩擦纳米发电机工作时，聚四氟乙烯膜面向受力面；当聚四氟乙烯膜受到外力作用时，聚四氟乙烯膜被挤压并与双向拉伸尼龙膜发生接触，从而使双向拉伸尼龙膜带正电，聚四氟乙烯膜带负电；当外力去除时，所述聚四氟乙烯膜与双向拉伸尼龙膜分离，材料间的电势差导致外电路产生瞬时电流，从而将机械能转化为电能。

实施例2

双向拉伸尼龙膜的制备：采用熔融流延法制备厚度为2mm的尼龙膜；尼龙膜冷却定型后，采用同步双向拉伸装置对所述尼龙膜在200℃条件下进行同步双向拉伸，拉伸倍率为3倍；经充分冷却定型后，得到双向拉伸尼龙膜；

本实施例提供的封闭式摩擦纳米发电机如图1所示，采用铜板作为内部电极（厚度为1mm），在其上下面粘附所述双向拉伸尼龙膜；将所述内部电极固定在封闭腔体（高度为1cm）的内壁上，使双向拉伸尼龙膜置于封闭腔体的内部中间位置，并在内部电极的一侧引出连接正电材料的正极导线；采用厚度为1mm的聚四氟乙烯膜作为上下包覆层对封闭腔体进行密封，并从上下聚四氟乙烯膜引出负极导线；所述正极导线和负极导线直接与负载或储能装置连接。

实施例3

双向拉伸尼龙膜的制备：采用熔融流延法制备厚度为1.5mm的尼龙膜；尼龙膜冷却定型后，采用同步双向拉伸装置对所述尼龙膜在160℃条件下进行同步双向拉伸，拉伸倍率为1倍；经充分冷却定型后，得到双向拉伸尼龙膜；

本实施例提供的封闭式摩擦纳米发电机如图1所示，采用铜板作为内部电极（厚度为0.5mm），在其上下面粘附所述双向拉伸尼龙膜；将所述内部电极固定在封闭腔体（高度为1cm）的内壁上，使双向拉伸尼龙膜置于封闭腔体的内部中间位置，并在内部电极的一侧引出连接正电材料的正极导线；采用厚度为1mm的聚四氟乙烯膜作为上下包覆层对封闭腔体进行密封，并从上下聚四氟乙烯膜引出负极导线；所述正极导线和负极导线直接与负载或储能装置连接。

实施例4

双向拉伸尼龙膜的制备：采用熔融流延法制备厚度为1mm的尼龙膜；尼龙膜冷却定型后，采用同步双向拉伸装置对所述尼龙膜在180℃条件下进行同步双向拉伸，拉伸倍率为3倍；经充分冷却定型后，得到双向拉伸尼龙膜；

本实施例提供的封闭式摩擦纳米发电机如图1所示，采用铜板作为内部电极（厚度为1mm），在其上下面粘附所述双向拉伸尼龙膜；将所述内部电极固定在封闭腔体（高度为1cm）的内壁上，使双向拉伸尼龙膜置于封闭腔体的内部中间位置，并在内部电极的一侧引出连接正电材料的正极导线；采用厚度为1mm的聚四氟乙烯膜作为上下包覆层对封闭腔体进行密封，并从上下聚四氟乙烯膜引出负极导线；所述正极导线和负极导线直接与负载或储能装置连接。

对比例1

摩擦纳米发电机与实施例1基本相同，不同之处仅在于将所述双向拉伸尼龙膜替换为流延法制备的尼龙膜。

测试例1

实施例1制备的双向拉伸尼龙膜和现有技术中流延法制备的尼龙膜的X射线衍射图如图2所示，由图2可以看出，双向拉伸尼龙膜具有更小的晶面间隙。

实施例1制备的双向拉伸尼龙膜和现有技术中流延法制备的尼龙膜的差示扫描量热测试曲线如图3所示，由图3可以看出，双向拉伸尼龙膜具有更高的结晶度和更均一的晶粒尺寸。

实施例1制备的双向拉伸尼龙膜和现有技术中流延法制备的尼龙膜的拉伸强度如图4所示，拉伸模量如图5所示，断裂伸长率如图6所示，由图4~6可以看出，本实施例制备的双向拉伸尼龙膜具有更高的拉伸强度和拉伸模量，与此同时，断裂伸长率发生了明显下降，双向拉伸尼龙膜机械性能的提升有利于提高摩擦发电过程中器件性能的稳定性。同时更加均一化的结晶态结构和结晶度有助于提升摩擦发电的输出性能。

测试例2

实施例1制备的封闭式摩擦纳米发电机的输出电压性能如图7所示，输出电流性能如图8所示；对比例1制备的摩擦纳米发电机的输出电压性能如图9所示，输出电流性能如图10所示。由图7~10可以看出，实施例1采用双向拉伸尼龙膜作为正电材料能够显著提高摩擦纳米发电机的输出电压和电流，有利于提高摩擦纳米发电机的能量转化率。

测试例3

实施例1制备的封闭式摩擦纳米发电机的表面水接触角测试结果如图11所示，由图11可以看出，本发明制备的封闭式摩擦纳米发电机具有良好的疏水性，能够提高防污性能，避免外界环境对其输出性能的影响，保证输出的稳定性和摩擦纳米发电机的耐用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种封闭式摩擦纳米发电机，由封闭腔体、设置于所述封闭腔体内的内部电极和导线组成；所述内部电极的外表面附着有双向拉伸尼龙膜；所述封闭腔体的顶部和底部设置聚四氟乙烯膜；所述聚四氟乙烯膜为膨胀的聚四氟乙烯膜；所述内部电极为铜板，所述内部电极的厚度为0.5～1mm；

所述导线包括正极导线和负极导线；所述正极导线的一端与所述内部电极相连，另一端连接负载或储能装置；所述负极导线的一端与所述封闭腔体顶部和底部的聚四氟乙烯膜相连，另一端连接所述负载或储能装置；

所述双向拉伸尼龙膜的拉伸倍率为1～3倍；所述双向拉伸尼龙膜的厚度为0.1～0.5mm。

2.根据权利要求1所述的封闭式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述双向拉伸尼龙膜的制备方法包括以下步骤：采用熔融流延法制备得到尼龙膜；对所述尼龙膜进行同步双向拉伸，得到双向拉伸尼龙膜。

3.根据权利要求1所述的封闭式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述聚四氟乙烯膜的厚度≤1mm。

4.根据权利要求1所述的封闭式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述内部电极设置于所述封闭腔体的中部。

5.根据权利要求1所述的封闭式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述封闭腔体侧壁的材质为绝缘体。

6.权利要求1～5任一项所述封闭式摩擦纳米发电机的使用方法，包括以下步骤：

在外力作用下，聚四氟乙烯膜与双向拉伸尼龙膜接触，使双向拉伸尼龙膜带正电，聚四氟乙烯膜带负电；

去除外力作用，所述聚四氟乙烯膜与双向拉伸尼龙膜分离，聚四氟乙烯膜与双向拉伸尼龙膜间的电势差导致外电路产生瞬时电流，所述电流输送到负载或储能装置中。

7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述外力包括机械能。

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