CN112695460A - 一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物 - Google Patents
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Abstract
一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物，包括：正摩擦层，用于与负摩擦层摩擦生电；负摩擦层，用于与所述正摩擦层摩擦生电；电荷泵，用于为所述正摩擦层和所述负摩擦层提供电荷；所述电荷泵的正极与所述正摩擦层连接而负极与所述负摩擦层连接。本申请提供的一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物制备简便，用材低廉，穿戴舒适。
Description
技术领域
本发明属于柔性发电织物技术领域，具体涉及一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物。
背景技术
2020年新型冠状病毒(COVID-19)爆发，其传染速度较快，传播途径较广，感染人群较多，目前认为，飞沫传播和接触传播是新型冠状病毒的主要传播途径。因此，采取必要的防护手段至关重要。现阶段较为有效的防护措施为佩戴口罩，口罩对进入肺部的空气有一定的过滤作用，可有效的防止病毒通过呼吸道进入肺部而引发疾病。传统工艺生产的静电吸附口罩仅限于利用驻极体制成内层滤芯，并通过电晕放电向驻极体充电提高其吸附能力，然而驻极体中电荷极易流失，口罩过滤效率下降迅速。
现有专利文献CN206604639U公开的口罩，其净化组件由两层铜导电网板组成，两层网板间彼此绝缘；将净化组件与直流电源连接，从而增强过滤效率，然而其不具有储存电荷功能，电荷很快从导电网板中流失，电荷保持性能较差，需持续接通外电源，且佩戴舒适性较差。现有文献(Adv.Funct.Mater.2018,28,1706680)提出一种新型摩擦电空气净化器，然而此装置对PM2.5这种较大颗粒过滤效率较高，对粒径小于0.3μm的颗粒过滤效率不佳。因此，亟需开发一种既具有高过滤效率，又无需持续接通外电源的发电织物。
文献(Nat.Commun.,2020,11:1599)报道了一种电荷泵的原理，有效提高了摩擦纳米发电机电学输出功率。电荷泵部分包括外接摩擦纳米发电机(CE-TENG)及电荷激发电路组成；其中CE-TENG由两层铜箔及氟化乙烯丙烯共聚物膜组成；而主摩擦纳米发电机是由单层铜箔及表面附有聚酰亚胺的硅胶组成。此器件穿戴舒适性较差，结构复杂，不适合在服装上应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物，包括：
正摩擦层，用于与负摩擦层摩擦生电；
负摩擦层，用于与所述正摩擦层摩擦生电；
电荷泵，用于为所述正摩擦层和所述负摩擦层提供电荷；所述电荷泵的正极与所述正摩擦层连接而负极与所述负摩擦层连接。
优选地，所述正摩擦层包括第一导电布。
优选地，所述正摩擦层还包括绝缘透气布料，所述绝缘透气布料沿所述第一导电布的周长设置。
优选地，所述负摩擦层包括第二导电布。
优选地，所述负摩擦层还包括碳氟纳米纤维，所述碳氟纳米纤维沿所述第二导电布的表面设置。
优选地，所述负摩擦层的制备方法为：
将所述第二导电布粘贴至单辊机上；
使用静电纺丝装置在所述第二导电布表面静电喷射形成所述碳氟纳米纤维；
在所述单辊机上得到所述负摩擦层。
优选地，所述静电纺丝装置的电压为16kV-18kV，所述单辊机的转速为30rad/min-50rad/min，所述单辊机的纺丝时间为40min-60min。
优选地，所述碳氟纳米纤维为聚偏二氟乙烯纳米纤维。
优选地，所述电荷泵包括：锂电池、二极管和电容器，其中，所述锂电池的正极与所述二极管的正极连接，所述锂电池的负极与所述负摩擦层连接，所述二极管的负极与所述正摩擦层连接，所述电容器的第一端连接所述正摩擦层而第二端连接所述负摩擦层。
优选地，所述锂电池的电压为3.7V，所述二极管的整流电流为1A，耐压值为1000V，所述电容器的电容量为25nf。
本申请提供的一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物制备简便，用材低廉，穿戴舒适。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物的结构示意图；
图2是本发明提供的一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物的结构示意图；
图3是本发明提供的一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物的工作原理示意图；
图4是本发明提供的一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物的碳氟纳米纤维表面形貌示意图；
图5是本发明提供的一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物的短路电流图；
图6是本发明与对比案例的短路电流。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-2，在本申请实施例中，本发明提供了一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物，包括：
正摩擦层10，用于与负摩擦层20摩擦生电；
负摩擦层20，用于与所述正摩擦层10摩擦生电；
电荷泵30，用于为所述正摩擦层10和所述负摩擦层20提供电荷；所述电荷泵30的正极与所述正摩擦层10连接而负极与所述负摩擦层20连接。
当使用此柔性发电织物摩擦生电时，将正摩擦层10与负摩擦层20相互摩擦而产生电荷。
在本申请实施例中，所述正摩擦层10包括第一导电布11，所述正摩擦层10还包括绝缘透气布料，所述绝缘透气布料沿所述第一导电布11的周长设置。
在本申请实施例中，该第一导电布11的尺寸至少为15cm×15cm，并在四边粘合宽度至少为0.5cm的绝缘透气布料，该绝缘透气布料为涤纶布料，如此既能保持其透气性，又能防止正摩擦层10的第一导电布11与负摩擦层20接触而造成的短路。
如图1-2，在本申请实施例中，所述负摩擦层20包括第二导电布21，所述负摩擦层20还包括碳氟纳米纤维22，所述碳氟纳米纤维22沿所述第二导电布21的表面设置。
在本申请实施例中，负摩擦层20由表面具有碳氟纳米纤维22的第二导电布21构成，该第二导电布21尺寸至少为15cm×15cm。优选地，所述碳氟纳米纤维22为聚偏二氟乙烯纳米纤维，第二导电布21为柔软薄款平纹电磁屏蔽布。
进一步地，所述负摩擦层20的制备方法为：
将所述第二导电布21粘贴至单辊机上；
使用静电纺丝装置在所述第二导电布21表面静电喷射形成所述碳氟纳米纤维22；
在所述单辊机上得到所述负摩擦层20。
具体地，所述静电纺丝装置的电压为16kV-18kV，所述单辊机的转速为30rad/min-50rad/min，所述单辊机的纺丝时间为40min-60min。
在本申请实施例中，所述电荷泵30包括：锂电池31、二极管32和电容器33，其中，所述锂电池31的正极与所述二极管32的正极连接，所述锂电池31的负极与所述负摩擦层20连接，所述二极管32的负极与所述正摩擦层10连接，所述电容器33的第一端连接所述正摩擦层10而第二端连接所述负摩擦层20。
具体地所述锂电池31的电压为3.7V，所述二极管32的整流电流为1A，耐压值为1000V，所述电容器33的电容量为25nf。
如图3所示为本申请提供的一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物借助静电吸附的原理示意图。具体地，人进行相关运动时，就会使得正摩擦层10和负摩擦层20接触和分离，这样就会在两个材料之间产生相对运动，所以就会由于静电摩擦产生电荷吸附，再通过电荷泵30为其增加电荷，从而提高摩擦电器件输出性能。
下面通过具体的实施例来进一步说明本发明。本实施例中的原料及试剂来源：PVDF(分子量Mw＝15.0×104，阿拉丁试剂)；N,N-二甲基甲酰胺(化学纯，国药试剂)；锂电池(3.7V)、二极管(1N4007)、电容器(25nf)，短路电流采用吉时利K6514进行测试。
实施例1：
在静电纺丝区域内，以导电布作为基底，用N,N-二甲基甲酰胺溶液和丙酮溶液溶解PVDF(12wt％)配制成纺丝液，在16kV的电压、单辊机转速为30rad/min的条件下进行纺丝，纺丝时间控制在40min，得到PVDF纳米纤维(如图4)，接上电荷泵30部分，利用吉时利K6514进行测试，测试结果如图5。
对比例1
在静电纺丝区域内，以导电布作为基底，用N,N-二甲基甲酰胺溶液和丙酮溶液溶解PVDF(12wt％)配制成纺丝液，在18kV的电压、单辊机转速V1为50rad/min的条件下进行纺丝，纺丝时间控制在60min，得到PVDF纳米纤维，按照口罩制备方式进行口罩制备，接上电荷泵30部分，利用吉时利K6514进行测试(见图6中的2)，作为对比，省去外接电荷泵30，利用吉时利K6514进行测试(见图6中的1)，由此可见，外接电荷泵30时的短路电流明显高于不接电荷泵30的短路电流。
本申请提供的一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物制备简便，用材低廉，穿戴舒适。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种基于摩擦生电机理的柔性发电织物，其特征在于，包括：
正摩擦层，用于与负摩擦层摩擦生电；
负摩擦层，用于与所述正摩擦层摩擦生电；
电荷泵，用于为所述正摩擦层和所述负摩擦层提供电荷；所述电荷泵的正极与所述正摩擦层连接而负极与所述负摩擦层连接。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦生电机理的柔性发电织物，其特征在于，所述正摩擦层包括第一导电布。
3.根据权利要求2所述的基于摩擦生电机理的柔性发电织物，其特征在于，所述正摩擦层还包括绝缘透气布料，所述绝缘透气布料沿所述第一导电布的周长设置。
4.根据权利要求1所述的基于摩擦生电机理的柔性发电织物，其特征在于，所述负摩擦层包括第二导电布。
5.根据权利要求4所述的基于摩擦生电机理的柔性发电织物，其特征在于，所述负摩擦层还包括碳氟纳米纤维，所述碳氟纳米纤维沿所述第二导电布的表面设置。
6.根据权利要求5所述的基于摩擦生电机理的柔性发电织物，其特征在于，所述负摩擦层的制备方法为：
将所述第二导电布粘贴至单辊机上；
使用静电纺丝装置在所述第二导电布表面静电喷射形成所述碳氟纳米纤维；
在所述单辊机上得到所述负摩擦层。
7.根据权利要求6所述的基于摩擦生电机理的柔性发电织物，其特征在于，所述静电纺丝装置的电压为16kV-18kV，所述单辊机的转速为30rad/min-50rad/min，所述单辊机的纺丝时间为40min-60min。
8.根据权利要求5所述的基于摩擦生电机理的柔性发电织物，其特征在于，所述碳氟纳米纤维为聚偏二氟乙烯纳米纤维。
9.根据权利要求1所述的基于摩擦生电机理的柔性发电织物，其特征在于，所述电荷泵包括：锂电池、二极管和电容器，其中，所述锂电池的正极与所述二极管的正极连接，所述锂电池的负极与所述负摩擦层连接，所述二极管的负极与所述正摩擦层连接，所述电容器的第一端连接所述正摩擦层而第二端连接所述负摩擦层。
10.根据权利要求9所述的基于摩擦生电机理的柔性发电织物，其特征在于，所述锂电池的电压为3.7V，所述二极管的整流电流为1A，耐压值为1000V，所述电容器的电容量为25nf。
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