CN112031325A - 一种摩擦发电地板、及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦发电地板。一种摩擦发电地板，由地板上层、地板中层、地板下层组成，其中所述地板中层固定在地板上层和地板下层之间，所述的地板上层与地板下层之间固定有支撑弹簧，地板上层与地板下层之间的四周由硅胶层封装；所述的地板上层、地板中层、和地板下层分别设置有导电材料层，其中所述地板上层和地板中层构成第一摩擦发电单元，地板中层和地板下层构成第二摩擦发电单元,所述的地板中层的导电材料层为共用感应电级，两个摩擦发电单元形成并联结构，本发明可将行人的按压、行走、奔跑等运动能量转化为电能，环境适应性强。
Description
技术领域
本发明属于摩擦发电技术领域，涉及摩擦发电地板，具体涉及一种摩擦发电地板、及其制备方法和应用。
背景技术
当前，能源的需求和环境的污染是社会发展面临的重大问题，实现新型环保的能源采集是人类社会可持续发展的关键，其中新型能源包括如太阳能、风能、地热能、海洋能等。
人们日常活动中也会产生大量的能量，但是往往未被有效利用，例如行走、奔跑等过程中产生的能量，基本未被有效利用。传统的地板在追求美观、环保等优点的同时，并未考虑其作为能源单元的功能。
为了采集人在地板上行走时产生的能量，本申请研发了一种可广泛铺设于办公场合、运动场所、交通要道等人流量较大的场合的基于摩擦纳米发电机的发电地板，将能量采集转换单元集成于PVC塑胶地板、木地板等市场常用的地板单元，将不同幅度的人体运动能量转化为电能。
发明内容
本发明是为了解决现有技术存在的上述缺陷，而提供了一种摩擦发电地板。
本发明的另一个目的是提供上述摩擦发电地板的制备方法。
本发明的另一个目的是提供上述摩擦发电地板的应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种摩擦发电地板，由地板上层、地板中层、地板下层组成，其中所述地板中层固定在地板上层和地板下层之间，所述的地板上层与地板下层之间固定有支撑弹簧，地板上层与地板下层之间的四周由硅胶层封装；
所述的地板上层、地板中层、和地板下层分别设置有导电材料层，其中所述地板上层和地板中层构成第一摩擦发电单元，地板中层和地板下层构成第二摩擦发电单元,所述的地板中层的导电材料层为共用感应电级，两个摩擦发电单元形成并联结构。
进一步地，所述地板上层由上层的地板面板、中间的第一硅胶缓冲层、和下层的第一导电硅胶层构成；所述地板中层由第二上层硅胶层、第二中层导电硅胶层、和第二下层硅胶层组成；所述地板下层由上层的第三导电硅胶层、中层的第三硅胶缓冲层、和下层的地板底板组成。
所述的地板上层、地板中层和地板下层为矩形，在地板上层和地板下层的四个顶角之间分别固定有一个支撑弹簧。
所述的地板中层为波浪形结构，其中地板中层与地板上层和地板下层之间分别注有气体，形成气囊结构。
所述的地板面板和地板底部为PVC塑胶地板，木地板等常用的地板材料。
更进一步地，上述摩擦发电地板的制备方法，步骤为：
（1）准备地板上层：在地板面板的下表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成第一硅胶缓冲层，然后将导电硅胶混合物旋涂于第一硅胶缓冲层，待导电硅胶混合物固化，形成第一导电硅胶层，由地板面板、第一硅胶缓冲层、第一导电硅胶层共同构成地板上层；
（2）准备地板中层：准备地板中层的结构模型，上表面旋涂导电硅胶混合物，待导电硅胶混合物固化后，形成第二中层导电硅胶层，然后在第二中层导电硅胶层的上表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成第二上层硅胶层，然后将地板中层的结构模型从第二中层导电硅胶层剥离,在第二中层导电硅胶层的下表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成第二下层硅胶层，由第二上层硅胶层、第二中层导电硅胶层、和第二下层硅胶层共同构成地板中层；
所述地板上层和地板中层间接入外部负载，构成第一摩擦发电单元的外部负载电路；
（3）制备地板下层：在地板底板的上表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成第三硅胶缓冲层，将导电硅胶混合物旋涂于第三硅胶缓冲层的上表面，待导电硅胶混合物固化，形成第三导电硅胶层，由地板底板、第三硅胶缓冲层、和第三导电硅胶层共同构成地板下层；
所述地板中层和地板下层间接入外部负载电阻，构成第二摩擦发电单元的外部负载电路；
（4）固定弹簧：将地板中层放置在地板上层与地板下层之间，然后将地板上层与地板下层的顶角分别用支撑弹簧进行缓冲支撑与连接；
（5）注入空气：将地板上层与地板中层，以及地板中层与地板下层之间的空隙内注入气体，形成气囊；
（6）封装：利用硅胶混合物将注入气体后的结构整体封装，形成硅胶层5，即得。
其中上述使用的硅胶混合物由室温硫化硅胶制备或采用PDMS聚合物材料制备获得。
所述的导电硅胶混合物可以由聚合物材料与金属系导电填料颗粒或碳系导电填料颗粒混合制备，制备的导电硅胶混合物需具有良好的导电性，且与硅胶材料具有良好的粘结性。
本发明还公开了上述发电地板在制备可便携式电子设备供电装置上的应用。
本发明地板由地板上层、地板中层、地板下层三部分组成，地板上层和地板中层构成第一摩擦发电单元，地板中层和地板下层构成第二摩擦发电单元，中间层制备为波浪结构，第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元共用中间层的电极作为感应电极；当发电地板受到外力按压、外力撤销时，第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元的负性摩擦材料与正性摩擦材料均形成有效接触-分离运动，通过摩擦生电和静电感应现象的耦合，在外电路产生交流电流；两个摩擦发电单元形成并联结构，提高摩擦纳米发电机的输出性能；地板上层与地板下层的顶角利用支撑弹簧进行缓冲支撑与连接，上层与中间层之间的空隙、中间层与下层之间的空隙内注入气体形成气囊,提高器件的灵敏度；整体结构利用硅胶封装，保护结构不被外部环境污染，增强环境适应性。
具体制备时，步骤为：一、准备地板面板，旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成硅胶缓冲层，将导电硅胶混合物旋涂于硅胶缓冲层，待导电硅胶混合物固化，制得作为第一摩擦发电单元正性摩擦材料与上电极的导电硅胶层；二、准备波浪结构模型，旋涂导电硅胶混合物，待导电硅胶混合物固化，制备导电硅胶层，即中间电极（感应电极），在导电硅胶层上表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，制得作为第一摩擦发电单元负性摩擦材料的硅胶层，地板上层的导电硅胶层，与地板中层的硅胶层与导电硅胶层共同构成第一摩擦发电单元；将波浪结构模型从导电硅胶层下表面剥离，然后在导电硅胶层的下表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，制得作为第二摩擦发电单元负性摩擦材料的硅胶层；其中地板中层的导电硅胶层作为第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元的共用感应电极；三、准备地板底板，旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，得到硅胶缓冲层，将导电硅胶混合物旋涂于硅胶缓冲层，待导电硅胶混合物固化，制得作为第二摩擦发电单元正性摩擦材料与下电极的导电硅胶层，导电硅胶层、硅胶缓冲层与地板底板共同构成地板下层，其中地板中层的导电硅胶层和下层硅胶层与地板下层的导电硅胶层共同构成第二摩擦发电单元；四、将地板上层与地板下层的顶角利用支撑弹簧进行缓冲支撑与连接；五、将地板上层与地板中层之间的空隙、地板中层与地板下层之间的空隙内注入气体形成气囊；六、利用硅胶混合物将结构整体封装，构成密封层，即得地板整体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明可将行人的按压、行走、奔跑等运动能量转化为电能，为便携式电子设备供能；
（2）利用硅胶封装，保护结构不被外部环境污染，环境适应性强；
（3）通过弹簧、气囊、硅胶材料与导电硅胶材料的柔韧性、波浪结构的防冲减震的共同作用，使得发电地板在外部按压力撤销时，能够恢复原始分离状态。
附图说明
图1是本发明一种摩擦发电地板的结构示意图；
图中：1-地板上层、2-地板中层、3-地板下层、4-支撑弹簧、5-硅胶层、11-地板面板、12-第一硅胶缓冲层、13-第一导电硅胶层、21-第二上层硅胶层、22-第二中层导电硅胶层、23-第二下层硅胶层、31-地板底板、32-第三硅胶缓冲层、33-第三导电硅胶层。
具体实施方式
下面将结合本附图和实施例，对本发明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的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，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
如图1所示的一种摩擦发电地板，由地板上层1、地板中层2、地板下层3组成，其中所述地板中层2固定在地板上层1和地板下层3之间，所述的地板上层1与地板下层3之间固定有支撑弹簧4，地板上层1与地板下层3之间的四周由硅胶层5封装；
所述的地板上层1、地板中层2、和地板下层3分别设置有导电材料层，其中所述地板上层1和地板中层2构成第一摩擦发电单元，地板中层2和地板下层3构成第二摩擦发电单元,所述的地板中层2的导电材料层为共用感应电级，两个摩擦发电单元形成并联结构。
其中，如图1所示，地板上层1由上层的地板面板11、中间的第一硅胶缓冲层12、和下层的第一导电硅胶层13构成；所述地板中层2由第二上层硅胶层21、第二中层导电硅胶层22、和第二下层硅胶层23组成；所述地板下层3由上层的第三导电硅胶层33、中层的第三硅胶缓冲层32、和下层的地板底板31组成；所述的地板上层1、地板中层2和地板下层3为矩形，在地板上层1和地板下层3的四个顶角之间分别固定有一个支撑弹簧4，所述的地板中层2为波浪形结构，其中地板中层2与地板上层1和地板下层3之间分别注有气体，形成气囊结构，地板面板11和地板底板31为PVC塑胶地板，木地板等。
上述摩擦发电地板的制备步骤如下：
（1）准备地板上层：在地板面板11的下表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成第一硅胶缓冲层12，然后将导电硅胶混合物旋涂于第一硅胶缓冲层12，待导电硅胶混合物固化，形成第一导电硅胶层13，由地板面板11、第一硅胶缓冲层12、第一导电硅胶层13共同构成地板上层1；
（2）准备地板中层：准备地板中层的结构模型，上表面旋涂导电硅胶混合物，待导电硅胶混合物固化后，形成第二中层导电硅胶层22，然后在第二中层导电硅胶层22的上表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成第二上层硅胶层21，然后将地板中层的结构模型从第二中层导电硅胶层22剥离,在第二中层导电硅胶层22的下表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成第二下层硅胶层23，由第二上层硅胶层21、第二中层导电硅胶层22、和第二下层硅胶层23共同构成地板中层2；
所述地板上层1和地板中层2间接入外部负载，构成第一摩擦发电单元的外部负载电路；
（3）制备地板下层：在地板底板31的上表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成第三硅胶缓冲层32，将导电硅胶混合物旋涂于第三硅胶缓冲层32的上表面，待导电硅胶混合物固化，形成第三导电硅胶层33，由地板底板31、第三硅胶缓冲层32、和第三导电硅胶层33共同构成地板下层；
所述地板中层2和地板下层3间接入外部负载电阻，构成第二摩擦发电单元的外部负载电路；
（4）固定弹簧：将地板中层2放置在地板上层1与地板下层3之间，然后将地板上层1与地板下层3的顶角分别用支撑弹簧4进行缓冲支撑与连接；
（5）注入空气：将地板上层1与地板中层2，以及地板中层2与地板下层3之间的空隙内注入气体，形成气囊；
（6）封装：利用硅胶混合物将注入气体后的结构整体封装，形成硅胶层5，即得。
其中上述使用的硅胶混合物由室温硫化硅胶制备或采用PDMS等聚合物材料制备获得。
上述使用的导电硅胶混合物可以由聚合物材料与金属系导电填料颗粒或碳系导电填料颗粒混合制备，制备的导电硅胶混合物需具有良好的导电性，且与硅胶材料具有良好的粘结性。
即本发明在地板上层1和地板中层2的上电极、中间电极间接入外部负载电阻，构成第一摩擦发电单元的外部负载电路，地板中层2和地板下层3的中间电极、下电极间接入外部负载间接入外部负载电阻，构成第二摩擦发电单元的外部负载电路，其中地板中层2的第二中层导电硅胶层22作为第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元的共用感应电极，使得两个摩擦发电单元形成并联结构，能够提高摩擦发电地板的输出性能；当发电地板受到外力按压、外力撤销时，第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元的负性摩擦材料与正性摩擦材料均形成有效接触-分离运动，通过摩擦生电和静电感应现象的耦合，在外电路产生交流电流。
以上列举的仅是本发明的具体实施例子，对本发明的保护范围不构成任何限制，器件结构不受发电结构尺寸、形状、表面形貌、摩擦正性材料、负性材料的选用、电极材料的选用、中间层形状、数目等限制，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变形，需要注意的是：倘若这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种摩擦发电地板，由地板上层、地板中层、地板下层组成，其特征在于，其中所述地板中层固定在地板上层和地板下层之间，所述的地板上层与地板下层之间固定有支撑弹簧，地板上层与地板下层之间的四周由硅胶层封装；
所述的地板上层、地板中层和地板下层组分别设置有导电材料层，其中所述地板上层和地板中层构成第一摩擦发电单元，地板中层和地板下层构成第二摩擦发电单元,所述的地板中层的导电材料层为共用感应电级，两个摩擦发电单元形成并联结构。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦发电地板，其特征在于，所述地板上层由上层的地板面板、中间的第一硅胶缓冲层、和下层的第一导电硅胶层构成；所述地板中层由第二上层硅胶层、第二中层导电硅胶层、和第二下层硅胶层组成；所述地板下层由上层的第三导电硅胶层、中层的第三硅胶缓冲层、和下层的地板底板组成。
所述的地板上层、地板中层和地板下层为矩形，在地板上层和地板下层的四个顶角之间分别固定有一个支撑弹簧。
3.根据权利要求1所述的一种摩擦发电地板，其特征在于，所述的地板中层为波浪形结构，其中地板中层与地板上层和地板下层之间分别注有气体，形成气囊结构。
4.根据权利要求1所述的一种摩擦发电地板，其特征在于，所述的地板中层为波浪形结构，其中地板中层与地板上层、地板下层之间分别注有气体，形成气囊结构。
5.根据权利要求1所述的一种摩擦发电地板，其特征在于，所述的地板面板和地板底部为PVC塑胶地板或者木地板。
6.权利要求1-5任意一项所述的摩擦发电地板的制备方法，其特征在于，步骤为：
（1）准备地板上层：在地板面板的下表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成硅胶缓冲层，然后将导电硅胶混合物旋涂于硅胶缓冲层，待导电硅胶混合物固化，形成导电硅胶层，由地板面板、硅胶缓冲层、导电硅胶层共同构成地板上层；
（2）准备地板中层：准备地板中层的结构模型，上表面旋涂导电硅胶混合物，待导电硅胶混合物固化后，形成中层的导电硅胶层，然后在导电硅胶层的上表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成上层的硅胶层，然后将地板中层的结构模型从导电硅胶层剥离,在导电硅胶层的下表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成下层的硅胶层，由上层的硅胶层、中层的导电硅胶层、和下层的硅胶层共同构成地板中层；
（3）制备地板下层：在地板底板的上表面旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，形成中层的硅胶缓冲层，将导电硅胶混合物旋涂于硅胶缓冲层的上表面，待导电硅胶混合物固化，形成上层的导电硅胶层，由上层的导电硅胶层、中层的硅胶缓冲层、和下层的地板底板共同构成地板下层；
（4）固定弹簧：将地板中层放置在地板上层与地板下层之间，然后将地板上层与地板下层的顶角分别用支撑弹簧进行缓冲支撑与连接；
（5）注入空气：将地板上层与地板中层，以及地板中层与地板下层之间的空隙内注入气体，形成气囊；
（6）封装：利用硅胶混合物将注入气体后的结构整体封装，即得。
7.根据权利要求5所述的摩擦发电地板的制备方法，其特征在于，所述的硅胶混合物由室温硫化硅胶、或者PDMS聚合物材料制备。
8.根据权利要求5所述的摩擦发电地板的制备方法，其特征在于，所述的导电硅胶混合物由聚合物材料与金属系导电填料颗粒或碳系导电填料颗粒混合制备。
9.权利要求1-5任意一项所述的摩擦发电地板在制备便携式电子设备供电装置上的应用。
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2020
- 2020-09-30 CN CN202011060758.6A patent/CN112031325A/zh active Pending
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