CN112217413A - 一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，该发明属于纳米能源领域，用来收集机械能并将其转换为电能。本发明选用鱼明胶薄膜和PDMS薄膜作为两个相对的摩擦材料，制作成垂直接触分离式的摩擦纳米发电机。以铜箔胶带作为两个材料的电极层，最终组装成垂直接触分离式的摩擦纳米发电机用于接下来的性能测试和应用展示。基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机具有很好的柔性、生物相容性，且输出性能优异，可用于收集人体机械能并转化为电能，在不久的将来，有望解决可穿戴电子设备的供能问题。
Description
技术领域
本发明一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，用于收集环境中机械振动以及人体运动所产生的机械能，并将其转换为电能，在未来可穿戴电子领域有较大应用前景，该发明属于纳米能源领域。
背景技术
能源通常是指为工厂、城市乃至国家供电的大型能源，目前这种大型能源主要是指化石能源，包括：煤、石油和天然气。化石能源是目前全球的最主要能源，2006年全球能源中化石能源占比高达87.9％，我国的比例高达93.8％。但随着人类的不断开采，化石能源的枯竭是不可避免的，大部分化石能源本世纪将被开采殆尽。从另一方面看，由于化石能源在使用过程中会产生大量温室气体二氧化碳，同时可能产生一些有污染的烟气，威胁全球生态。因而，开发更清洁的可再生能源是今后发展的方向。
电子设备的快速发展呈现小型化、可移动和多功能的趋势。计算机和手机是两个典型的例子，在不久的将来，我们身边的电子设备会远远小于手机的尺寸，这样每个人都会拥有几十个、甚至上百个这样的电子产品。目前这种小型的电子产品是由电池供电，但是只用电池来驱动整个电子网络是不现实的，而且电池的使用也会带来难以追踪和回收的问题，以及可能导致环境污染和健康危害。因此急需能够独立地为这种小型电子器件持续供电的新型能源，这种电源可以广泛应用在超敏感生物-化学传感器、纳米机器人、微机电系统、遥感及可移动环境传感器、可移动-可穿戴电子设备等各个方面。
机械能是我们日常生活中常见的一种能量，具有多种表现形式，包括人体的活动、走路、振动、机械触发、轮胎转动、风能、水能等。怎样收集这些富足却被浪费的机械能成为近年来科学家热衷研究的课题之一。
摩擦起电效应是一种由接触引发的带电效应，即在一种材料与另一种材料发生摩擦的过程中会带上电荷。摩擦起电效应很可能是为数不多的人们已经知道了几千年的效应，但它在我们生活中大多被当作负面效应，这也是为什么这种现象存在了几千年却没有实际的正面应用的原因。直到最近，随着王中林课题组提出了摩擦纳米发电机(TENG)的概念，摩擦起电效应才被广泛应用到机械能采集和自驱动机械传感器中，但目前的摩擦纳米发电机多选用金属或合成高分子作为摩擦材料，材料不易降解、对环境不够友好。也有研究者将天然可降解的蚕丝蛋白膜、牛奶蛋白膜等材料应用在摩擦纳米发电机中，但这些材料制作工艺复杂，成本较高，不适合大批量的制作。
本发明废物利用，将废弃的鱼鳞制备出鱼明胶薄膜，鱼明胶薄膜具有柔性环保的优点，可通过水直接降解。基于鱼明胶薄膜和PDMS薄膜制备成摩擦纳米发电机，可以收集日常生活中富余的机械能，为未来柔性可穿戴电子的功能问题提出一种新的解决方案。
发明内容
发明解决的技术问题是：本发明旨在克服现有技术的不足，解决了目前摩擦纳米发电机所用材料不易降解不够环保的问题。开发了一种廉价绿色的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机。所用鱼明胶薄膜成本低廉易得、制备方法简单、易于降解并且具备柔性和生物相容性。可用于收集环境中由于机械振动以及人体运动产生的机械能，例如按压，拍打等。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，将鱼明胶薄膜应用于摩擦纳米发电机，用来收集机械能并转化为电能，将鱼明胶薄膜与PDMS薄膜组装成垂直接触分离式的摩擦纳米发电机。
优选的，通过PTFE微粉对PDMS薄膜进行表面粗糙化用来提高摩擦纳米发电机的输出性能。
优选的，用砂纸对鱼明胶薄膜进行打磨增加表面粗糙度从而提高摩擦纳米发电机输出性能。
优选的，用三聚氰胺海绵作为支撑层，在为两摩擦材料提供间隙的同时还具有回弹性和柔性。
优选的，所述鱼明胶薄膜的原料为含有丰富的胶原蛋白且脂肪含量较低的鱼鳞，均来自于菜市场中。
优选的，所述的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：
(1)将废弃的鱼鳞在阳光下晒干，用自来水清洗干净；
(2)分别用氢氧化钠和盐酸对鱼鳞进行处理，去除鱼鳞中的杂质；
(3)将鱼鳞和水放入不锈钢密闭容器中进行水解；
(4)用筛子将固体与液体分离，通过离心的方法，去除液体中可能存在的任何形式的固体残渣；
(5)离心后的液体被转移到加热台上的烧杯里，逐渐蒸发至粘稠，然后将液体倾倒在一个平整的塑料表面皿上，静置使其凝固成膜；
(6)用砂纸对鱼明胶薄膜进行打磨；
(7)配置PDMS溶液；
(8)将PDMS溶液均匀平铺在塑料培养皿中；
(9)将溶液置于烘箱中加热，在未完全成型前均匀铺上PTFE粉末后继续烘干得到PDMS薄膜；
(10)在鱼明胶薄膜和PDMS薄膜背面贴上电极层，再用细铜箔作为外接负载的导线引出；
(11)将所制成的鱼明胶薄膜及PDMS薄膜最终组装成一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机。
优选的，所述步骤(10)中的电极层为导电铜箔胶带，可方便粘附在摩擦材料表面，其电阻0.01Ω/sq。
优选的，还包括以下步骤：
(1)按照要求制作发电机；
(2)用外力拍打发电机，使得发电机内侧的两个摩擦层表面相互接触，然后利用支撑材料的弹性使得两个摩擦层的表面分离，如此往复运动；
(3)用细导电铜箔把发电机两端接到用电器或者储能装置；
(4)进行拍打运动，当摩擦层的两部分相互接触的时候，摩擦层的两部分表面会产生正负电荷，此时电极层会产生相对应的电荷，随着摩擦层的两部分分离，电极层上的电荷被驱动产生交变电流。
一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，包括摩擦层、电极层、支撑结构以及导电装置；
所述摩擦层包括鱼明胶薄膜和PDMS薄膜；所述电极层为导电铜箔胶带；所述支撑材料为三聚氰胺海绵；所述导电装置为导电铜箔。
所述鱼明胶薄膜厚度为0.12mm，尺寸5cm×5cm。
所述PDMS薄膜厚度为0.23mm，尺寸5cm×5cm。
所述导电铜箔胶带50μm电阻为0.01Ω/sq，尺寸5cm×5cm。
所述三聚氰胺海绵的尺寸为50mm×5mm×5mm。
所述导电装置为宽度3mm长度5cm的导电铜箔。
本发明还提供了一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机的制作方法，具体包括以下步骤：
(1)将废弃的鱼鳞在阳光下晒干，用自来水清洗干净，去除任何可见的污垢；
(2)用0.1M氢氧化钠(pH＝12)处理干鱼鳞1h。处理后的鱼鳞用自来水冲洗至pH值降至7.5左右；再用10％盐酸处理1h，去除矿物质。同时用自来水冲洗，直到pH值再次降到7.5左右；
(3)将500mL的水和处理过的鱼鳞放入一个不锈钢密闭容器中进行水解，水解温度为80℃，水解时间8h。
(4)用筛子将固体与液体分离。液体滤液以2500rpm转速离心15min，去除液体中可能存在的任何形式的固体残渣；
(5)离心后的30mL上述液体转移到热板上的烧杯里，在80℃下逐渐蒸发，直到液体变得非常粘稠。然后将液体倾倒在一个平整的直径为90mm的塑料表面皿上，静置48h使其凝固；
(6)用400目的砂纸对鱼明胶薄膜进行打磨增加表面粗糙度；
(7)配置PDMS溶液，将PDMS原液与固化剂以1:10的配比混合均匀；
(8)将6mL上述PDMS溶液均匀平铺在直径90mm塑料培养皿中；
(9)将上述溶液置于80℃烘箱中加热，在未完全成型前均匀铺上PTFE粉末后继续烘干得到PDMS薄膜；
(10)在鱼明胶薄膜和PDMS薄膜背面贴上导电铜箔作为电极层，再用细铜箔作为外接负载的导线引出；
(11)所制成的鱼明胶薄膜及PDMS薄膜之间以三聚氰胺海绵为支撑材料，最终组装成一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)该摩擦纳米发电机选用的鱼明胶薄膜，具有绿色环保的优点，可通过水直接降解；
(2)制作鱼明胶薄膜的原材料为鱼鳞，属于废物利用，成本低廉来源广泛；鱼明胶薄膜由日常生活中废弃的鱼鳞经过超纯水清洗、碱处理、酸处理后进行水解反应，随后离心去除杂质得到纯净的鱼明胶溶液，最终通过蒸发及风干制成透明的鱼明胶薄膜备用。与之相对的PDMS薄膜通过将原液与固化剂10：1的比例混合均匀后在置于塑料培养皿中80℃烘干成膜备用。
(3)该摩擦纳米发电机制作简单，没有复杂的加工工艺；
(4)较为广泛的应用，不仅可以作为发电机，还可以作为检测人体运动的传感器；
(5)经过实验测试，尺寸为5cm×5cm，按压频率为6Hz的情况下，可以产生200V的开路电压，以及0.4μA的短路电流；
(6)具有很高的可靠性，多次按压后，电学性能依然稳定。
(7)用砂纸打磨过的鱼明胶薄膜和用PTFE微粉转印微结构的PDMS薄膜组合，摩擦纳米发电机的开路电压达到了125V，性能优于未经处理的薄膜。
附图说明
下面结合附图对本发明的作进一步说明。
图1是基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机的结构示意图。
图2是基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机的实物图。
图3是鱼明胶薄膜与其他常见材料作为摩擦纳米发电机摩擦层的性能对比图。
图4是鱼明胶薄膜和PDMS薄膜在表面处理前后的性能对比图。
图5是基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机在尺寸为5cm×5cm，按压频率为6Hz的情况下的开路电压与时间关系图。
图6是基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机在尺寸为5cm×5cm，按压频率为6Hz的情况下的短路电流与时间关系图。
图7是基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机给商用LED灯、电子表、计算器等供能的示意图。
图8是基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机作为监测人体运动的传感器示意图。
具体实施方式
以下所述是本发明的具体实施方式，本领域技术人员可通过该说明书所阐述的说明及附图轻易地了解本发明的各项细节与应用。
实施例1
基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机制备方法具体步骤如下：
(1)将废弃的鱼鳞在阳光下晒干，用自来水清洗干净，去除任何可见的污垢；
(2)用0.1M氢氧化钠(pH＝12)处理干鱼鳞1h。处理后的鱼鳞用自来水冲洗至pH值降至7.5左右；再用10％盐酸处理1h，去除矿物质。同时用自来水冲洗，直到pH值再次降到7.5左右；
(3)将500mL的水和处理过的鱼鳞放入一个不锈钢密闭容器中进行水解，水解温度为80℃，水解时间8h。
(4)用筛子将固体与液体分离。液体滤液以2500rpm转速离心15min，去除液体中可能存在的任何形式的固体残渣；
(5)离心后的30mL上述液体转移到热板上的烧杯里，在80℃下逐渐蒸发，直到液体变得非常粘稠。然后将液体倾倒在一个平整的直径为90mm的塑料表面皿上，静置48h使其凝固；
(6)用400目的砂纸对鱼明胶薄膜进行打磨增加表面粗糙度；
(7)配置PDMS溶液，将购买于美国道康宁的PDMS原液与固化剂以10:1的配比混合均匀；
(8)将6mL上述PDMS溶液均匀平铺在直径90mm塑料培养皿中；
(9)将上述溶液置于80℃烘箱中加热，在未完全成型前均匀铺上PTFE粉末后继续烘干得到PDMS薄膜；
(10)在鱼明胶薄膜和PDMS薄膜背面贴上导电铜箔作为电极层，再用细铜箔作为外接负载的导线引出；
(11)所制成的鱼明胶薄膜及PDMS薄膜之间以三聚氰胺海绵为支撑材料，最终组装成一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机。
图1，一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，包括摩擦层、电极层、支撑结构以及导电装置，其中摩擦层采用的是以鱼鳞为原料制作的鱼明胶薄膜和PDMS薄膜；电极层采用的是导电铜箔胶带；支撑材料采用商用的三聚氰胺海绵；导电装置同样采用导电铜箔。
图2，以两个尺寸为50mm×5mm×5mm的三聚氰胺海绵作为支撑材料。将贴有导电铜箔电极层的鱼明胶薄膜和PDMS薄膜进行组装，用50mm×3mm的导电铜箔作为外接负载的导电装置分别从两个电极层引出，得到基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机。
图5和图6，经过实验测试，本发明所述摩擦纳米发电机在尺寸为5cm×5cm，按压频率为6Hz的情况下，可以产生200V的开路电压，以及0.4μA的短路电流；
实施例2
用打印纸、PI薄膜、铝箔、PET薄膜分别代替本发明中的鱼明胶薄膜，与PDMS薄膜进行组装成摩擦纳米发电机，具体包括以下步骤：
(1)将打印纸、PI薄膜、铝箔、PET薄膜材料分别剪切成5cm×5cm大小的正方形；
(2)用400目的砂纸对打印纸、PI薄膜、铝箔、PET薄膜进行打磨增加表面粗糙度；
(3)配置PDMS溶液，将PDMS原液与固化剂以10:1的配比混合均匀；
(4)将6mL上述PDMS溶液均匀平铺在直径90mm塑料培养皿中；
(5)将上述溶液置于80℃烘箱中加热，在未完全成型前均匀铺上PTFE粉末后继续烘干得到PDMS薄膜；
(6)在打印纸、PI薄膜、铝箔、PET薄膜和PDMS薄膜背面贴上导电铜箔作为电极层，再用细铜箔作为外接负载的导线引出；
(7)将打印纸、PI薄膜、铝箔、PET薄膜分别与PDMS薄膜之间以三聚氰胺海绵为支撑材料，最终组装成摩擦纳米发电机。
图3，经过测试，用鱼明胶薄膜分别和常见的打印纸、PI薄膜、铝箔、PET薄膜进行对比，发现在尺寸均为5cm×5cm，按压频率均为3Hz时，鱼明胶薄膜的开路电压达到了138V，性能优于打印纸、PI薄膜、铝箔、PET薄膜，更适合作为摩擦纳米发电机摩擦材料。
实施例3
将未进行表面处理的鱼明胶薄膜和PDMS薄膜组装成摩擦纳米发电机，具体包括以下步骤：
(1)将废弃的鱼鳞在阳光下晒干，用自来水清洗干净，去除任何可见的污垢；
(2)用0.1M氢氧化钠(pH＝12)处理干鱼鳞1h。处理后的鱼鳞用自来水冲洗至pH值降至7.5左右；再用10％盐酸处理1h，去除矿物质。同时用自来水冲洗，直到pH值再次降到7.5左右；
(3)将500mL的水和处理过的鱼鳞放入一个不锈钢密闭容器中进行水解，水解温度为80℃，水解时间8h。
(4)用筛子将固体与液体分离。液体滤液以2500rpm转速离心15min，去除液体中可能存在的任何形式的固体残渣；
(5)离心后的30mL上述液体转移到热板上的烧杯里，在80℃下逐渐蒸发，直到液体变得非常粘稠。然后将液体倾倒在一个平整的直径为90mm的塑料表面皿上，静置48h使其凝固；
(6)配置PDMS溶液，将PDMS原液与固化剂以10:1的配比混合均匀；
(7)将6mL上述PDMS溶液均匀平铺在直径90mm塑料培养皿中；
(8)将上述溶液置于80℃烘箱中加热至成型；
(9)在鱼明胶薄膜和PDMS薄膜背面贴上导电铜箔作为电极层，再用细铜箔作为外接负载的导线引出；
(10)所制成的鱼明胶薄膜及PDMS薄膜之间以三聚氰胺海绵为支撑材料，最终组装成一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机。
图4，经过测试，在尺寸均为5cm×5cm，按压频率均为3Hz时，用砂纸打磨过的鱼明胶薄膜和用PTFE微粉转印微结构的PDMS薄膜组合，摩擦纳米发电机的开路电压达到了125V，性能优于未经处理的薄膜。
实施例4
用本发明的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机对商用LED灯珠、计算器、电子表供电，具体包括以下步骤：
(1)按照要求制作摩擦纳米发电机；
(2)用外力拍打发电机，使得发电机内测的两个摩擦层表面相互接触，然后利用支撑材料的弹性使得两摩擦层表面分离，如此往复运动；
(3)用细铜箔把发电机两端接到用电器或者储能装置；
(4)进行拍打运动，当摩擦层的两部分相互接触的时候摩擦层的两部分表面会产生正负电荷，此时电极层会产生相对应的电荷，随着摩擦层的两部分分离，电极层上的电荷被驱动产生交变电流。
图7，通过持续按压基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，可以轻松地给商用LED灯珠、电子表和计算器进行供电；
实施例5
本发明的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机作为人体运动传感器的应用，具体包括以下步骤：
(1)按照要求制作摩擦纳米发电机；
(2)将本发明的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机设置在鞋底；
(3)依靠人体运动的动作压缩摩擦纳米发电机，例如慢走、快走、跑步；
图8，在慢走、快走和跑步三种运动状态下，压缩发电机的频率不同，所产生的开路电压也不同，因此可以通过摩擦纳米发电机产生的电压频率和电压大小来判断人体的运动状态。
Claims (8)
1.一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，其特征在于：将鱼明胶薄膜应用于摩擦纳米发电机，用来收集机械能并转化为电能，将鱼明胶薄膜与PDMS薄膜组装成垂直接触分离式的摩擦纳米发电机。
2.根据权利要求1所述的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，其特征在于：通过PTFE微粉对PDMS薄膜进行表面粗糙化用来提高摩擦纳米发电机的输出性能。
3.根据权利要求2所述的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，其特征在于：用砂纸对鱼明胶薄膜进行打磨增加表面粗糙度从而提高摩擦纳米发电机输出性能。
4.根据权利要求3所述的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，其特征在于：用三聚氰胺海绵作为支撑层，在为两摩擦材料提供间隙的同时还具有回弹性和柔性。
5.根据权利要求1所述的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述鱼明胶薄膜的原料为含有丰富的胶原蛋白且脂肪含量较低的鱼鳞，均来自于菜市场中。
6.根据权利要求1-5任一所述的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将废弃的鱼鳞在阳光下晒干，用自来水清洗干净；
(2)分别用氢氧化钠和盐酸对鱼鳞进行处理，去除鱼鳞中的杂质；
(3)将鱼鳞和水放入不锈钢密闭容器中进行水解；
(4)用筛子将固体与液体分离，通过离心的方法，去除液体中可能存在的任何形式的固体残渣；
(5)离心后的液体被转移到加热台上的烧杯里，逐渐蒸发至粘稠，然后将液体倾倒在一个平整的塑料表面皿上，静置使其凝固成膜；
(6)用砂纸对鱼明胶薄膜进行打磨；
(7)配置PDMS溶液；
(8)将PDMS溶液均匀平铺在塑料培养皿中；
(9)将溶液置于烘箱中加热，在未完全成型前均匀铺上PTFE粉末后继续烘干得到PDMS薄膜；
(10)在鱼明胶薄膜和PDMS薄膜背面贴上电极层，再用细铜箔作为外接负载的导线引出；
(11)将所制成的鱼明胶薄膜及PDMS薄膜最终组装成一种基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机。
7.根据权利要求6所述的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述步骤10中的电极层为导电铜箔胶带，可方便粘附在摩擦材料表面，其电阻0.01Ω/sq。
8.根据权利要求6所述的基于鱼明胶薄膜的摩擦纳米发电机的发电方法，其特征在于：还包括以下步骤：
(1)按照要求制作发电机；
(2)用外力拍打发电机，使得发电机内侧的两个摩擦层表面相互接触，然后利用支撑材料的弹性使得两个摩擦层的表面分离，如此往复运动；
(3)用细导电铜箔把发电机两端接到用电器或者储能装置；
(4)进行拍打运动，当摩擦层的两部分相互接触的时候，摩擦层的两部分表面会产生正负电荷，此时电极层会产生相对应的电荷，随着摩擦层的两部分分离，电极层上的电荷被驱动产生交变电流。
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| CN113922696A (zh) * | 2021-10-06 | 2022-01-11 | 西北工业大学 | 一种具有荷叶仿生结构的鱼明胶摩擦纳米发电机及其制备方法 |
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| CN104096261A (zh) * | 2013-04-09 | 2014-10-15 | 上海交通大学医学院附属第九人民医院 | 明胶/介孔生物玻璃复合纳米纤维膜材料及其制备方法 |
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