CN112968625B - 一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料及其制备方法和应用，该方法包括以下步骤：(1)玻璃纤维布的预处理：将玻璃纤维布原材料裁剪成所需尺寸，放入去离子水、乙醇或丙酮中清洗，烘干后再经紫外臭氧处理，获得干净、完整的玻璃纤维布织物；(2)玻璃纤维布材料的组装：将铝箔基底粘附在玻璃纤维布织物上，得到具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料。该材料应用于组装摩擦纳米发电机器件，在外力刺激下产生电信号，采集人体走路、手拍打物体的生物机械能，实现能量采集与传感。与现有技术相比，本发明具有不仅具有较好的柔性且兼具低成本和耐用性，还具有较高的摩擦正极性以及可大规模生产等优点。

Description

一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及领域，具体涉及一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料及其制备方法和应用。

背景技术

摩擦纳米发电机基于接触起电效应与静电感应效应，从而实现将机械能转化为电能的作用。而接触起电效应取决于摩擦材料的摩擦极性，在接触分离过程中，相对正极性的一端失去电子，带正电；相对负极性的一端得到电子，带负电。

选用摩擦极性相差较大的两种材料，能保证接触起电过程中产生更多的摩擦电荷，从而使摩擦纳米发电机具有更高的输出性能。目前摩擦负极性的材料选择较多，如聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚四氟乙烯(PTFE)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)等，而摩擦正极性的材料选择较少。

目前在摩擦纳米发电机中，最常用的正极性材料诸如铝箔、铜箔、皮肤、尼龙等均面临一些应用上的限制，如铝箔、铜箔和尼龙的摩擦正极性都稍低。因此，开发一种具有较高摩擦正极性的材料对提高摩擦纳米发电机性能，以及开发柔性纤维及摩擦电器件有着重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不仅具有较好的柔性且兼具低成本和耐用性，还具有较高的摩擦正极性以及可大规模生产的具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)玻璃纤维布的预处理：将玻璃纤维布原材料裁剪成所需尺寸，放入去离子水、乙醇或丙酮中清洗，烘干后再经紫外臭氧处理，获得干净、完整的玻璃纤维布织物；

(2)玻璃纤维布材料的组装：将铝箔基底粘附在玻璃纤维布织物上，得到具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料，可用于与多种摩擦材料配对，制备摩擦纳米发电机器件。

进一步地，步骤(2)中，使用铝胶带粘附在玻璃纤维布织物上，得到具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料。

进一步地，步骤(2)中，先配制甲基纤维素水溶液，再旋涂在铝箔基底上，然后将玻璃纤维布织物紧密贴附于甲基纤维素液膜上，经烘干后，得到具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料。

进一步地，所述甲基纤维素水溶液的浓度为0.01-0.1g/ml；所述的旋涂速率为1500-2500r/min；所述烘干的温度为70-85℃，时间为0.5-2h。

进一步地，所述的玻璃纤维布原材料为耐高温的电子级玻纤布，由多根玻璃纤维束编织形成的网状结构，每根玻璃纤维束由玻璃纤维丝集成。具有较高的摩擦正极性，可将其作为正极材料，在接触起电过程中倾向于失去电子，带正电；可将其应用在基于摩擦电效应的纳米发电机及传感等器件中。其编织结构具有较高的粗糙度和较大的接触面积，可将其用于摩擦纳米发电机器件的开发和应用。

进一步地，所述的玻璃纤维丝4-10μm。所利用的玻璃纤维纺织布(Glass FiberFabric，缩写GFF)为耐高温的电子级玻纤布，由上百根直径为4-10μm的玻璃纤维集成一根玻纤束，再由大量玻璃纤维束交叉编织形成网状结构。虽然GFF是一种无机材料，但由于其鱼网状的特殊结构而具有了很好的柔性，可承受往复的弯曲、扭曲等变形，克服了现有摩擦电正极材料缺乏柔性的问题。

一种采用如上所述的方法制备的具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料。

一种如上所述的具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料的应用，该材料应用于组装摩擦纳米发电机器件，并进行摩擦发电，在外力刺激下产生电信号，采集人体走路、手拍打物体的生物机械能，实现能量采集与传感。

进一步地，该应用的具体步骤为：将具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料分别与聚合物薄膜或基底组装成接触分离式的摩擦纳米发电机器件，并进行摩擦发电。该纳米发电机器件可收集人手掌拍打器件的能量，为发光二极管、电容器和电子手表供电。

进一步地，所述的聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯(PE)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种或多种，所述的基底包括铜箔、铝箔、平板玻璃或头发中的一种或多种。除头发与玻璃纤维布材料配对的情况中玻璃纤维布材料表现出摩擦负极性外，在其他摩擦副配对过程中玻璃纤维布材料均表现出摩擦正极性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出的玻璃纤维布用于摩擦电材料，其具备显著优于现有摩擦正极材料的柔性和耐用性，且表现出较高的摩擦正极性，可适用于高性能摩擦纳米发电机器件的开发与应用；

(2)本发明制备的基于玻璃纤维布的摩擦纳米发电机器件，具有较大的输出信号和优异的器件稳定性等优点，可以将机械能转化为电能，并为发光二极管、电容、电子手表等电子元器件供电的应用。

附图说明

图1为本发明中玻璃纤维布的XRD图谱；

图2为本发明中玻璃纤维布的SEM图；

图3为本发明中玻璃纤维布与不同摩擦材料摩擦的信号输出图；

图4为本发明中玻璃纤维布在多种摩擦材料中的摩擦静电序示意图；

图5为实施例1与对比例1中制备的基于Al-PTFE与Al/GFF-PTFE的器件性能对比图；

图6为实施例1中的器件实物图；

图7为实施例1中基于GFF的单电极结构摩擦纳米发电机器件驱动发光二极管的图片；

图8为实施例1中基于GFF的单电极结构摩擦纳米发电机器件给电容充电的充电曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

一种含有具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料的摩擦纳米发电机器件的制备方法，包括以下步骤：

第一步：将经过去离子水、乙醇、丙酮润洗过的玻璃纤维布烘干，经过紫外臭氧处理后，获得干净、完整的玻璃纤维布织物(如图1-2)；

第二步：配制0.05g/ml的甲基纤维素溶液，溶剂为去离子水，搅拌至充分溶解后；以2000转/分钟的速率旋涂在铝箔基底上，后将一定尺寸的玻璃纤维布紧密贴附于甲基纤维素液膜上，经过80℃烘干1h，制得具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料，即带有铝箔电极的玻璃纤维布的正极摩擦副材料；

第三步：将第二步中所制备的正极摩擦副材料分别与粘有聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯材质的薄膜，或者铜箔、铝箔、平板玻璃或头发，组装成不同的接触分离式的摩擦纳米发电机器件，如图3-4；

第四步：将上述提及的多种摩擦副组合，分别固定在线性电机测试系统上进行接触起电性能表征。

图1为本发明实施例中采用的玻璃纤维布的X射线衍射图谱。如图所示XRD图谱证实了玻璃纤维布为非晶态结构，无结晶相存在。图2是在本发明实施例中采用的玻璃纤维布的表面和横截面SEM图。如图2a所示该玻璃纤维布具有类似于渔网的互连结构，单根玻璃纤维的直径约为4μm(图2b)。

图3是玻璃纤维布与不同摩擦材料摩擦的信号输出图。可以看出，正极摩擦副材料在分别与聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、打印纸、铝箔、平板玻璃摩擦时，均在接触的瞬间产生正向电流信号，而分离的瞬间产生反向电流信号。由此可推断出，正极摩擦副材料在与该些材料摩擦时，倾向于失去电子，带正电，表现出摩擦正极性。而当正极摩擦副材料与头发进行摩擦时，输出电流信号发生转向，这表明头发相较于玻璃纤维布具有更高的摩擦正极性。

可以得出以下结论：正极摩擦副材料是一种具有摩擦正极性的材料，其摩擦正极性高于铝箔、平板玻璃等摩擦材料。玻璃纤维布的摩擦静电序可定性地判断为介于平板玻璃与头发之间(图4)。

表征的方式包括：以3-4Hz的频率，8-12N的力度周期性地拍打器件，起到摩擦起电的作用。

实施例1

选取Al/GFF-PTFE制备单电极结构摩擦纳米发电机；将通过甲基纤维素粘结GFF与铝箔电极的复合物，尺寸为35×30mm²，固定在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上(基板尺寸为37×32mm²)，引出电极引线；裁剪略大于基底尺寸的PTFE膜(尺寸约为40×36mm²)，将其对应两端粘接在PET基板，形成拱起的结构；其中，拱起的PTFE层与玻璃纤维布层间距为1mm。这样即可制得基于Al/GFF-PTFE的摩擦纳米发电机器件，如图6。

一、将制备的基于玻璃纤维布的单电极结构摩擦纳米发电机器件Al/GFF-PTFE用于点亮多盏LEDs，具体步骤如下：

第一步：将器件固定于桌面上，将LEDs串联连接，一端通过引线连接至单电极结构摩擦纳米发电机的输出电极上，另一端连接至插座的接地上。

第二步：用带有丁腈手套的手掌拍打器件，拍打频率约为3Hz，力度约为10N。

第三步：关闭室内灯光，可以观察到串联的发光二极管在拍打过程中被点亮。

图7是手指拍打单电极结构摩擦纳米发电机(Al/GFF-PTFE)点亮LEDs。这表明该器件可采集人体运动的机械能，将其转变为电能，用于驱动发光二极管，实现能量采集、转换和输出的功能。

二、将制备的基于玻璃纤维布的单电极结构摩擦纳米发电机器件用于电容充电，具体步骤如下：

第一步：将器件固定于桌面上，一端通过引线将单电极结构摩擦纳米发电机的输出电极连接至整流桥上，整流桥的另一端连接至插座的接地上；整流桥的输出端对应电容器的正负极进行连接，另外再分别引出两根导线用于检测电容两端的充电电压情况。

第二步：用带有丁腈手套的手掌拍打器件，拍打频率约为4Hz，力度约为10N。

第三步：可以观察到电容两端电压以台阶形式上升。

图8是4.7μF电容两端的充电电压曲线图。可以看出，4.7μF容量的电容在190秒的时间内达到20V。这表明该器件具有出色的充电性能，并且可以将采集的机械能储存进电容。

对比例1

与实施例1的不同之处在于，该摩擦纳米发电机器件仅包含Al-PTFE，不包含任何玻璃纤维成分。

图5为基于Al-PTFE和Al/GFF-PTFE在10N和4Hz的外部周期性压力下的信号输出。图5a是本发明中制备的基于Al-PTFE和Al/GFF-PTFE在10N和4Hz的作用力下的开路电压；图5b是本发明中制备的基于Al-PTFE和Al/GFF-PTFE在10N和4Hz的作用力下的短路电流；图5c是本发明中制备的基于Al-PTFE和Al/GFF-PTFE在10N和4Hz的作用力下的传递电荷。可以看出，基于Al-PTFE的器件输出电压为～560V，输出电流为～14μA，传递电荷(Qsc)为～32nC；而基于Al/GFF-PTFE的器件输出电压为～720V，短路电流(Isc)为～28μA，传递电荷(Qsc)为～61nC。

由此可见，玻璃纤维布的引入显著提升了摩擦纳米发电机的输出性能，这是由于玻璃纤维布具有更高的摩擦正极性加强了接触起电效应，以及玻璃纤维布粗糙的表面鱼网状编织结构能有效地增大了器件的有效接触面积。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料的应用，其特征在于，该材料应用于组装摩擦纳米发电机器件，并进行摩擦发电，该材料的制备方法包括以下步骤：

（1）玻璃纤维布的预处理：将玻璃纤维布原材料裁剪成所需尺寸，放入去离子水、乙醇或丙酮中清洗，烘干后再经紫外臭氧处理，获得干净、完整的玻璃纤维布织物；

所述的玻璃纤维布原材料为耐高温的电子级玻纤布，由多根玻璃纤维束编织形成的网状结构，每根玻璃纤维束由玻璃纤维丝集成；

（2）玻璃纤维布材料的组装：将铝箔基底粘附在玻璃纤维布织物上，得到具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料。

2.根据权利要求1所述的一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料的应用，其特征在于，步骤（2）中，使用铝胶带粘附在玻璃纤维布织物上，得到具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料。

3.根据权利要求1所述的一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料的应用，其特征在于，步骤（2）中，先配制甲基纤维素水溶液，再旋涂在铝箔基底上，然后将玻璃纤维布织物紧密贴附于甲基纤维素液膜上，经烘干后，得到具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料。

4.根据权利要求3所述的一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料的应用，其特征在于，所述甲基纤维素水溶液的浓度为0.01-0.1 g/ml；所述的旋涂速率为1500-2500 r/min；所述烘干的温度为70-85℃，时间为0.5-2 h。

5.根据权利要求1所述的一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料的应用，其特征在于，所述的玻璃纤维丝4-10 μm。

6.根据权利要求1所述的一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料的应用，其特征在于，该应用的具体步骤为：将具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料分别与聚合物薄膜或基底组装成接触分离式的摩擦纳米发电机器件，并进行摩擦发电。

7.根据权利要求6所述的一种具有摩擦正极性的玻璃纤维布材料的应用，其特征在于，所述的聚合物包括聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种，所述的基底包括铜箔、铝箔、平板玻璃或头发中的一种或多种。

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