CN112143038A - 摩擦电纳米材料、其制备方法及摩擦电复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种摩擦电纳米材料，所述摩擦电纳米材料为核壳结构；所述核为纳米金属颗粒；所述壳为热塑性聚合物；且所述核与壳之间设置有间隙。与现有技术相比，本发明提供的核壳结构的摩擦电纳米材料，通过在纳米级别的壳与核两种材料的摩擦震动，从而使纳米材料带上摩擦电；同时核与壳之间还设置有间隙，使纳米材料即使在感觉不出的微小震动中也会产生内核与外壳之间的摩擦，从而有效提升摩擦性能。

Description

摩擦电纳米材料、其制备方法及摩擦电复合材料
技术领域
本发明属于摩擦电技术领域，尤其涉及一种摩擦电纳米材料、其制备方法及摩擦电复合材料。
背景技术
能源问题是世界性难题，绿色能源的发展是当前科技发展的重要议题。特别是随着便携式电子设备以及物联网分布式传感器网络的发展，对分布式获能技术提出了越来越迫切的需求。
摩擦生电现象随处可见，几乎日常生活中的所有物质都表现出摩擦带电效应。自2012年发明了摩擦纳米发电机(TENGs)以来，摩擦发电技术成为主流能量收集技术。这一新兴能量收集技术在物联网传感网络和自驱动系统中具有广泛应用，而摩擦材料作为摩擦纳米发电机最关键的组成，直接决定着输出功率的高低,引起了材料学家和化学家的密切关注。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种摩擦电纳米材料、其制备方法及摩擦电复合材料。
本发明提供了一种摩擦电纳米材料，所述摩擦电纳米材料为核壳结构；所述核为纳米金属颗粒；所述壳为热塑性聚合物；且所述核与壳之间设置有间隙。
优选的，所述纳米金属颗粒选自铝、钢、铜、银、金及其合金中的一种或多种。
优选的，所述热塑性聚合物选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯与聚酰亚胺中的一种或多种。
优选的，所述热塑性聚合物与纳米金属颗粒的质量比为(60～80)：(10～15)。
优选的，所述壳具有多孔结构。
本发明还提供了一种摩擦电纳米材料的制备方法，包括：
S1)将纳米金属颗粒与第一致孔剂混合，得到混合物；
S2)将热塑性聚合物与混合物混合，在高温高压下进行炼制，得到摩擦电纳米材料。
优选的，所述步骤S1)具体为：将纳米金属颗粒与石蜡混合，加热至80℃～120℃搅拌，冷却后得到混合物。
优选的，所述步骤S2)中还加入第二致孔剂；所述第二致孔剂为碳酸盐；所述第二致孔剂与热塑性聚合物的质量比为1:(6～8)；所述第一致孔剂与纳米金属颗粒的质量比为1:(1～3)。
优选的，所述炼制的温度为300℃～500℃；所述炼制的压力为0.1～0.3兆帕；所述炼制的时间为1～10h。
本发明还提供了一种摩擦电复合材料，包括上述的摩擦电纳米材料与热塑性树脂；且所述摩擦电纳米材料中的热塑性聚合物的熔点高于热塑性树脂。
本发明提供了一种摩擦电纳米材料，所述摩擦电纳米材料为核壳结构；所述核为纳米金属颗粒；所述壳为热塑性聚合物；且所述核与壳之间设置有间隙。与现有技术相比，本发明提供的核壳结构的摩擦电纳米材料，通过在纳米级别的壳与核两种材料的摩擦震动，从而使纳米材料带上摩擦电；同时核与壳之间还设置有间隙，使纳米材料即使在感觉不出的微小震动中也会产生内核与外壳之间的摩擦，从而有效提升摩擦性能。
附图说明
图1为本发明提供的摩擦电纳米材料的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例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。
本发明提供了一种摩擦电纳米材料，所述摩擦电纳米材料为核壳结构；所述核为纳米金属颗粒；所述壳为热塑性聚合物；且所述核与壳之间设置有间隙。
参见图1，图1为本发明提供的摩擦电纳米材料的结构示意图。
本发明采用热塑性聚合物和纳米金属单体或其混合物作为核壳结构制备摩擦电纳米材料，两者都为摩擦起电性能优异的材料，两种成分的配伍可以增强摩擦起电性能。
两种不同材料通过相互摩擦后可以在两个材料表面形成摩擦电荷，基于此原理，提供了一种壳-核结构摩擦电纳米材料，该摩擦电纳米材料为纳米级尺寸，包括内核与外壳；所述摩擦电纳米材料的粒径为纳米级尺寸；所述摩擦电纳米材料的形状为球形或其他不规则立体形状。
所述内核为纳米金属颗粒；所述纳米金属颗粒的粒径优选为10～900nm；所述纳米金属颗粒优选为铝、钢、铜、银、金及其合金中的一种或多种。
所述外壳为热塑性聚合物，所述热塑性聚合物优选为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯与聚酰亚胺中的一种或多种；在本发明中，所述外壳优选具有多孔结构，可增加外壳层的比表面，有效提高摩擦电荷的表面传导性能，增加摩擦电荷的使用性能。
所述热塑性聚合物与纳米金属颗粒的质量比优选为(60～80)：(10～15)，更优选为(65～75)：(11～14)，再优选为(68～72)：(12～13.5)，最优选为70:13.3。所述内核与外壳之间设置有间隙。通过核心纳米金属颗粒与外壳热塑性聚合物振动相互摩擦，产生摩擦电，其中核心纳米金属颗粒显正电，外壳热塑性聚合物显负电。
本发明提供的核壳结构的摩擦电纳米材料，通过在纳米级别的壳与核两种材料的摩擦震动，从而使纳米材料带上摩擦电；同时核与壳之间还设置有间隙，使纳米材料即使在感觉不出的微小震动中也会产生内核与外壳之间的摩擦，从而有效提升摩擦性能。
本发明还提供了一种上述摩擦电纳米材料的制备方法，包括：S1)将纳米金属颗粒与第一致孔剂混合，得到混合物；S2)将热塑性聚合物与混合物混合，在高温高压下进行炼制，得到摩擦电纳米材料。
其中，所述纳米金属颗粒及热塑性聚合物均同上所述，在此不再赘述。
将纳米金属颗粒与第一致孔剂混合，得到混合物；所述第一致孔剂优选为石蜡；所述纳米金属颗粒与第一致孔剂的质量比优选为1:(1～3)，更优选为1:(1.5～2.5)，再优选为1:2；在本发明中优选先将纳米金属颗粒与第一致孔剂混合，然后加热搅拌，冷却后得到混合物；所述加热搅拌的温度优选为80℃～120℃，更优选为90℃～110℃，再优选为100℃；所述加热搅拌的时间优选为10～60min，更优选为20～50min，再优选为20～40min，最优选为30min。
将热塑性聚合物与混合物混合；所述热塑性聚合物与混合物的质量比优选为(6～8)：(1～3)，更优选为(6～8)：(1.5～2.5)，再优选为(6～8)：2，再优选为(6.5～7.5)：2，最优选为7：2；在本发明中，还优选加入第二致孔剂；所述第二致孔剂优选为碳酸盐，更优选为碳酸铵；所述第二致孔剂与热塑性聚合物的质量比优选为1:(6～8)，更优选为1:(6.5～7.5)，再优选为1：7。
混合后，在高温高压下进行炼制，得到摩擦电纳米材料；所述炼制的温度优选为300℃～500℃，更优选为350℃～450℃，再优选为400℃；所述炼制的压力优选为0.1～0.3兆帕，更优选为0.2兆帕；所述炼制的时间优选为1～10h，更优选为1～8h，再优选为2～6h，再优选为2～4h，最优选为3h。
本发明在制备过程中通过利用纳米金属颗粒或其混合物与热塑性聚合物的熔融分解温度差，可制备出所需的核壳结构体系，并添加第一致孔剂，受热分解产生气体从而可以制备出核-壳结构之间的纳米级微空隙，该空隙即使在感觉不出的微小震动中也会产生内核和外壳之间的摩擦，从而有效提高摩擦性能。
进一步地，本发明同时添加第二致孔剂受热分解呈气体从而在外壳层结构中形成多孔结构，增加外壳层的比表面积，有效提高摩擦电荷的表面传导性能，增加摩擦电荷的使用性能。
本发明还提供了一种摩擦电复合材料，包括上述的摩擦电纳米材料；在本发明中，优选包括上述的摩擦电纳米材料与热塑性树脂，且所述摩擦电纳米材料中的热塑性聚合物的熔点高于热塑性树脂；所述摩擦电纳米材料优选分散于热塑性树脂中；所述形成热塑性树脂的聚合物的分子量优选为8×105～12×105；所述摩擦电复合材料中摩擦电纳米材料的质量为摩擦电复合材料质量的1％～20％，更优选为5％～15％，再优选为5％～10％。
在本发明中，所述摩擦电复合材料优选为非织造纤维片、薄膜、片材或中空板材；所述热塑性树脂优选为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯与聚酯中的一种或多种。
按照本发明，为了使摩擦电复合材料具有一些性能，如提高其抗氧性、使其具有一些颜色或提高其加工性能，优选还包括颜料、光稳定剂、主抗氧化剂和辅抗氧化剂、金属钝化剂、相容剂、阻燃剂、分散剂与抗菌剂的一种或多种；所述光稳定剂优选为受阻胺类光稳定剂；所述主抗氧剂优选为受阻酚类抗氧剂；所述辅抗氧剂优选为亚磷酸三酯；所述金属钝化剂优选为脂肪酸金属盐；所述阻燃剂优选为磷酸盐和/或含氟化合物；所述分散剂优选为石蜡、硬脂酸钙、硬脂酸镁与聚丙烯蜡中的一种或多种；所述相容剂优选为马来酸酐接枝聚丙烯和/或聚乙烯蜡；所述抗菌剂优选为氧化锌、碳纳米管与纳米银中的一种或多种。
为了提高摩擦复合材料的驻极性能和延长电荷储存时间，优选还包括歧化松香、PVDF、PTFE、硬质酸钙、巴西棕榈酸铝、铁电体材料、二氧化硅、石墨烯、电气石与镧系稀土中的一种或多种。
为了提高摩擦电荷的储存性能；所述热塑性树脂优选为多孔结构；即在制备过程中加入发泡剂，使摩擦电复合材料形成发泡材料；所述发泡剂优选为碳酸盐和/或二氧化碳。
本发明提供一种壳-核结构摩擦电纳米材料颗粒，该纳米颗粒为纳米级尺寸，通过在纳米级别的壳与核两种材料的摩擦震动，可以让纳米颗粒带上摩擦电，通过添加到热塑性树脂中，可以提高热塑性树脂摩擦起电性能，拓展材料的应用领域和使用性能。
本发明还提供了一种上述摩擦电复合材料的制备方法，包括：将摩擦电纳米材料与热塑性树脂混合挤出，得到摩擦电复合材料。
本发明还提供了上述摩擦电纳米材料或摩擦电复合材料作为摩擦材料的应用。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种摩擦电纳米材料、其制备方法及摩擦电复合材料进行详细描述。
以下实施例中所用的试剂均为市售；实施例中所述份均为重量份。
实施例1
将200克纳米铝粉(粒径为20nm)和100克石蜡混合，升温至100℃，充分搅拌30min，然后快速冷却，得到混合物。
将70份聚四氟乙烯树脂、10份碳酸铵与20份上述混合物充分混合，在温度为400℃、压力为0.2兆帕的高温高压下充分混合炼制3h，制备成壳-核结构摩擦电纳米材料。
实施例2
聚丙烯(分子量1×106)成分为91％，实施例1中制备的壳-核结构摩擦电纳米材料5％，阻燃剂(磷酸三苯酯)成分占比1％，相容剂(马来酸酐接枝聚丙烯)成分占比1％，防老化剂(硬脂酸钠)成分占比0.5％，分散剂(聚丙烯蜡)成分占比0.5％，驻极抗菌剂(氧化锌)成分占比1％。
实施例3
聚丙烯(分子量1×106)成分为86％，实施例1中制备的壳-核结构摩擦电纳米颗粒添加剂10％，阻燃剂(磷酸三苯酯)成分占比1％，相容剂(马来酸酐接枝聚丙烯)成分占比1％，防老化剂(硬脂酸钠)成分占比0.5％，分散剂(聚丙烯蜡)成分占比0.5％，驻极抗菌剂(氧化锌)成分占比1％。
实施例4
聚丙烯(分子量1×106)成分为84％，实施例1中制备的壳-核结构摩擦电纳米颗粒添加剂10％，纳米二氧化硅粉末(粒径15～20nm)成分占比1％，石墨烯成分占比1％，阻燃剂(磷酸三苯酯)成分占比1％，相容剂(马来酸酐接枝聚丙烯)成分占比1％，防老化剂(硬脂酸钠)成分占比0.5％，分散剂(聚丙烯蜡)成分占比0.5％，驻极抗菌剂(氧化锌)成分占比1％。
对比例1
聚丙烯(分子量1×106)成分为96％，阻燃剂(磷酸三苯酯)成分占比1％，相容剂(马来酸酐接枝聚丙烯)成分占比1％，防老化剂(硬脂酸钠)成分占比0.5％，分散剂(聚丙烯蜡)成分占比0.5％，驻极抗菌剂(氧化锌)成分占比1％。
测试样品制作：
按以上实施例3～4及对比例1的配方分别混合后，通过螺杆挤出机挤出成1mm片材，样品外形尺寸为100mm×100mm。
测试方法：
用尼龙网对实施例3～4及对比例1得到的板材表面进行摩擦，对比测试材料表面静电电荷及电荷衰减性，得到结果见表1与表2。
表1板材表面静电电荷测试结果
Figure BDA0002735622730000071
表2板材电荷衰减性能测试结果
Figure BDA0002735622730000072

Claims (10)

1.一种摩擦电纳米材料，其特征在于，所述摩擦电纳米材料为核壳结构；所述核为纳米金属颗粒；所述壳为热塑性聚合物；且所述核与壳之间设置有间隙。
2.根据权利要求1所述的摩擦电纳米材料，其特征在于，所述纳米金属颗粒选自铝、钢、铜、银、金及其合金中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的摩擦电纳米材料，其特征在于，所述热塑性聚合物选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯与聚酰亚胺中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的摩擦电纳米材料，其特征在于，所述热塑性聚合物与纳米金属颗粒的质量比为(60～80)：(10～15)。
5.根据权利要求1所述的摩擦电纳米材料，其特征在于，所述壳具有多孔结构。
6.一种摩擦电纳米材料的制备方法，其特征在于，包括：
S1)将纳米金属颗粒与第一致孔剂混合，得到混合物；
S2)将热塑性聚合物与混合物混合，在高温高压下进行炼制，得到摩擦电纳米材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1)具体为：将纳米金属颗粒与石蜡混合，加热至80℃～120℃搅拌，冷却后得到混合物。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2)中还加入第二致孔剂；所述第二致孔剂为碳酸盐；所述第二致孔剂与热塑性聚合物的质量比为1:(6～8)；所述第一致孔剂与纳米金属颗粒的质量比为1:(1～3)。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述炼制的温度为300℃～500℃；所述炼制的压力为0.1～0.3兆帕；所述炼制的时间为1～10h。
10.一种摩擦电复合材料，其特征在于，包括权利要求1～5任意一项所述的摩擦电纳米材料或权利要求6～9任意一项制备方法所制备的摩擦电纳米材料与热塑性树脂；且所述摩擦电纳米材料中的热塑性聚合物的熔点高于热塑性树脂。
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