CN113114064A - 一种摩擦纳米发电机及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种摩擦纳米发电机及其制备方法。本发明的摩擦纳米发电机的组成包括第一芳纶纤维层、第一银纳米线层、第二芳纶纤维层和第二银纳米线层；所述第一芳纶纤维层与第一银纳米线层贴合；所述第一银纳米线层和第二芳纶纤维层之间设置有间隙；所述第二芳纶纤维层与第二银纳米线层贴合。本发明的摩擦纳米发电机的制备方法包括以下步骤：1)制备芳纶纤维纸；2)制备芳纶纤维‑银纳米线复合纸；3)将2张芳纶纤维‑银纳米线复合纸组装成摩擦纳米发电机。本发明的摩擦纳米发电机具有质量轻、柔韧性好、耐高温性好、耐老化性好、稳定性高等特点，且制造成本低、制备工艺简单，适合进行大规模工业化生产。

Description

一种摩擦纳米发电机及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米发电机技术领域，具体涉及一种摩擦纳米发电机及其制备方法。
背景技术
能源问题是当今的热点问题，受到了全世界人们的广泛关注。电子器件和智能设备的运行都意味着能量的消耗，人们在日常生产和生活过程中往往又会有一部分的能量被浪费(例如：人的行走、手臂的摆动等)，而摩擦纳米发电机正好能够有效地将周围环境中微小的机械能转化为电能，具有广阔的应用前景。
然而，现有的摩擦纳米发电机在应用上还面临一些问题：第一，大多数摩擦纳米发电机都是采用柔韧性较差的刚性基底(例如：硅基底、玻璃、钛箔等)，难以满足实际可穿戴的应用需求；第二，摩擦纳米发电机的制备方法(例如：水热生长法、化学气相沉积法等)存在周期长、成本高、操作难度大等问题，难以实现大规模工业生产；第三，摩擦纳米发电机的耐高温和耐老化性能较差，使用寿命较短，无法完全满足实际应用要求。
因此，亟需开发一种综合性能优异、制造成本低、制备工艺简单、可以满足多样化应用场景的摩擦纳米发电机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种摩擦纳米发电机及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种摩擦纳米发电机，其组成包括第一芳纶纤维层、第一银纳米线层、第二芳纶纤维层和第二银纳米线层；所述第一芳纶纤维层与第一银纳米线层贴合；所述第一银纳米线层和第二芳纶纤维层之间设置有间隙；所述第二芳纶纤维层与第二银纳米线层贴合。
优选的，所述第一芳纶纤维层中芳纶纤维的长度为250μm～1100μm。
进一步优选的，所述第一芳纶纤维层中芳纶纤维的长度为650μm～1100μm。
优选的，所述第一银纳米线层的面密度为0.25g/m2～2.0g/m2。
进一步优选的，所述第一银纳米线层的面密度为1.0g/m2～2.0g/m2。
优选的，所述第一银纳米线层还连接有导线。
进一步优选的，所述第一银纳米线层还连接有导电铜箔。
优选的，所述第二芳纶纤维层中芳纶纤维的长度为250μm～1100μm。
进一步优选的，所述第二芳纶纤维层中芳纶纤维的长度为650μm～1100μm。
优选的，所述第二银纳米线层的面密度为0.25g/m2～2.0g/m2。
进一步优选的，所述第二银纳米线层的面密度为1.0g/m2～2.0g/m2。
优选的，所述第二银纳米线层还连接有导线。
进一步优选的，所述第二银纳米线层还连接有导电铜箔。
上述摩擦纳米发电机的制备方法包括以下步骤：
1)配制芳纶纤维分散液，再浇注在微孔滤膜上，进行抽滤，得到芳纶纤维纸；
2)配制银纳米线分散液，再浇注在芳纶纤维纸上，进行抽滤，再进行热压，得到芳纶纤维-银纳米线复合纸；
3)将一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的银纳米线层与另一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的芳纶纤维层相对设置并预留空隙进行组装，即得摩擦纳米发电机。
优选的，步骤1)所述芳纶纤维分散液的浓度为1mg/mL～3mg/mL。
优选的，步骤1)所述抽滤的时间为4min～8min。
优选的，步骤2)所述银纳米线分散液的浓度为1.5mg/mL～3.5mg/mL。
优选的，步骤2)所述抽滤的时间为4min～6min。
优选的，步骤2)所述热压在90℃～110℃下进行，热压时间为8min～10min。
本发明的摩擦纳米发电机的工作原理：当摩擦纳米发电机受到触摸压力时，第一银纳米线层和第二芳纶纤维层接触摩擦，使两者表面积累电荷并在第一银纳米线层和第二银纳米线层之间形成电位差。压力释放时，第一银纳米线层和第二芳纶纤维层分离，第一银纳米线层和第二银纳米线层之间的间距变化使电位的平衡状态无法维持，从而形成信号电流和开路电压。电位差消失后，电子的流动停止，电流消失。再次按压，第一银纳米线层和第二芳纶纤维层表面电荷的感应引起反向电位差，产生相反的电流。
本发明的有益效果是：本发明的摩擦纳米发电机具有质量轻、柔韧性好、耐高温性好、耐老化性好、稳定性高等特点，且制造成本低、制备工艺简单，适合进行大规模工业化生产。
具体来说：
1)本发明的摩擦纳米发电机是采用芳纶纤维纸重叠制成，其易于进行折叠弯曲，灵敏度高，便于与其他柔性电子器件进行集成用在自供电领域；
2)本发明的摩擦纳米发电机通过调节芳纶纤维的长度和银纳米线的比重，便可以对开路电压等进行调节，进而便于对摩擦纳米发电机的发电性能进行调节；
3)本发明沉积摩擦层和导电层使用的方法为真空抽滤，与传统的水热法、化学气相沉积法相比，制备周期更短，制备过程更加简单，操作难度更低，生产成本更低。
附图说明
图1为本发明的摩擦纳米发电机的制备过程示意图。
图2为本发明的摩擦纳米发电机的结构和工作原理示意图。
图3为实施例1～3的摩擦纳米发电机输出的开路电压和短路电流测试结果图。
图4为实施例3～5的摩擦纳米发电机输出的开路电压和短路电流测试结果图。
图5为实施例5的摩擦纳米发电机的稳定性测试结果图。
图6为实施例5的摩擦纳米发电机的耐老化性能测试结果图。
图7为实施例5的摩擦纳米发电机驱动数码管和LED灯珠的测试照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1～5中的银纳米线通过以下方法制备得到：
1)将0.8g的聚乙烯基吡咯烷酮加入50mL的1,2-丙二醇中，60℃搅拌至完全溶解，冷却至室温，得到聚乙烯基吡咯烷酮溶液；
2)将2mL浓度10mmol/L的氯化铜溶液和2mL浓度4mmol/L的氯化铁溶液加入聚乙烯基吡咯烷酮溶液中，再加入20mL浓度0.35mol/L的硝酸银溶液和20mL浓度2mmol/L的溴化钠溶液，搅拌5min，再170℃静置40min，冷却至室温，离心，用丙酮洗涤离心得到的固体2次，用去离子水洗涤离心得到的固体3次，即得银纳米线。
实施例1：
一种摩擦纳米发电机，其制备方法包括以下步骤：
1)将20g的Kevlar芳纶纤维加2L的水磨浆至纤维长度约280μm，再加水稀释并进行搅拌，配制得到浓度2mg/mL的芳纶纤维分散液，再浇注在微孔滤膜上，抽滤6min，得到芳纶纤维纸；
2)将银纳米线加水分散，配制得到浓度2.5mg/mL的银纳米线分散液，再浇注在芳纶纤维纸上，抽滤5min，形成面密度0.5g/m2的银纳米线层，再110℃热压10min，得到芳纶纤维-银纳米线复合纸；
3)取2张芳纶纤维-银纳米线复合纸裁剪成2cm×2cm的大小，并外接导电铜箔，将一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的银纳米线层与另一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的芳纶纤维层相对设置并预留空隙进行组装，即得摩擦纳米发电机(制备过程示意图如图1所示，结构和工作原理示意图如图2所示)。
经测试，摩擦纳米发电机两端的电压(3次测量取平均值)为32.29V，实现了能量的收集和转换，且灵敏度和柔性良好。
实施例2：
一种摩擦纳米发电机，其制备方法包括以下步骤：
1)将20g的Kevlar芳纶纤维加2L的水磨浆至纤维长度约400μm，再加水稀释并进行搅拌，配制得到浓度2mg/mL的芳纶纤维分散液，再浇注在微孔滤膜上，抽滤6min，得到芳纶纤维纸；
2)将银纳米线加水分散，配制得到浓度2.5mg/mL的银纳米线分散液，再浇注在芳纶纤维纸上，抽滤5min，形成面密度0.5g/m2的银纳米线层，再110℃热压10min，得到芳纶纤维-银纳米线复合纸；
3)取2张芳纶纤维-银纳米线复合纸裁剪成2cm×2cm的大小，并外接导电铜箔，将一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的银纳米线层与另一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的芳纶纤维层相对设置并预留空隙进行组装，即得摩擦纳米发电机(制备过程示意图如图1所示，结构和工作原理示意图如图2所示)。
经测试，摩擦纳米发电机两端的电压(3次测量取平均值)为39.70V，实现了能量的收集和转换，且灵敏度和柔性良好。
实施例3：
一种摩擦纳米发电机，其制备方法包括以下步骤：
1)将20g的Kevlar芳纶纤维加2L的水磨浆至纤维长度650μm～1050μm，再加水稀释并进行搅拌，配制得到浓度2mg/mL的芳纶纤维分散液，再浇注在微孔滤膜上，抽滤6min，得到芳纶纤维纸；
2)将银纳米线加水分散，配制得到浓度2.5mg/mL的银纳米线分散液，再浇注在芳纶纤维纸上，抽滤5min，形成面密度0.5g/m2的银纳米线层，再110℃热压10min，得到芳纶纤维-银纳米线复合纸；
3)取2张芳纶纤维-银纳米线复合纸裁剪成2cm×2cm的大小，并外接导电铜箔，将一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的银纳米线层与另一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的芳纶纤维层相对设置并预留空隙进行组装，即得摩擦纳米发电机(制备过程示意图如图1所示，结构和工作原理示意图如图2所示)。
经测试，摩擦纳米发电机两端的电压(3次测量取平均值)为79.69V，实现了能量的收集和转换，且灵敏度和柔性良好。
实施例4：
一种摩擦纳米发电机，其制备方法包括以下步骤：
1)将20g的Kevlar芳纶纤维加2L的水磨浆至纤维长度650μm～1050μm，再加水稀释并进行搅拌，配制得到浓度2mg/mL的芳纶纤维分散液，再浇注在微孔滤膜上，抽滤6min，得到芳纶纤维纸；
2)将银纳米线加水分散，配制得到浓度2.5mg/mL的银纳米线分散液，再浇注在芳纶纤维纸上，抽滤5min，形成面密度1.0g/m2的银纳米线层，再110℃热压10min，得到芳纶纤维-银纳米线复合纸；
3)取2张芳纶纤维-银纳米线复合纸裁剪成2cm×2cm的大小，并外接导电铜箔，将一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的银纳米线层与另一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的芳纶纤维层相对设置并预留空隙进行组装，即得摩擦纳米发电机(制备过程示意图如图1所示，结构和工作原理示意图如图2所示)。
经测试，摩擦纳米发电机两端的电压(3次测量取平均值)为130.52V，实现了能量的收集和转换，且灵敏度和柔性良好。
实施例5：
一种摩擦纳米发电机，其制备方法包括以下步骤：
1)将20g的Kevlar芳纶纤维加2L的水磨浆至纤维长度650μm～1050μm，再加水稀释并进行搅拌，配制得到浓度2mg/mL的芳纶纤维分散液，再浇注在微孔滤膜上，抽滤6min，得到芳纶纤维纸；
2)将银纳米线加水分散，配制得到浓度2.5mg/mL的银纳米线分散液，再浇注在芳纶纤维纸上，抽滤5min，形成面密度2.0g/m2的银纳米线层，再110℃热压10min，得到芳纶纤维-银纳米线复合纸；
3)取2张芳纶纤维-银纳米线复合纸裁剪成2cm×2cm的大小，并外接导电铜箔，将一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的银纳米线层与另一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的芳纶纤维层相对设置并预留空隙进行组装，即得摩擦纳米发电机(制备过程示意图如图1所示，结构和工作原理示意图如图2所示)。
经测试，摩擦纳米发电机两端的电压(3次测量取平均值)为133.71V，实现了能量的收集和转换，且灵敏度和柔性良好。
性能测试：
1)实施例1～3的摩擦纳米发电机输出的开路电压和短路电流测试结果图如图3所示(图中的“较短”对应实施例1，“中等”对应实施例2，“较长”对应实施例3)。
由图3可知：随着芳纶纤维长度的增加，摩擦纳米发电机输出的开路电压和短路电流均增大。
2)实施例3～5的摩擦纳米发电机输出的开路电压和短路电流测试结果图如图4所示(图中波形曲线上的“0”代表不设置银纳米线层，“0.5”对应实施例3，“1.0”对应实施例4，“2.0”对应实施例5)。
由图4可知：随着银纳米线层的面密度增大，摩擦纳米发电机输出的开路电压和短路电流均增大，但当银纳米线层的面密度增大到1.0g/m2后，摩擦纳米发电机输出的开路电压和短路电流便不再继续增大。
3)使实施例5的摩擦纳米发电机连续工作1020个周期，测试摩擦纳米发电机的稳定性，得到的稳定性测试结果图如图5所示。
由图5可知：实施例5的摩擦纳米发电机连续工作1020个周期后输出的开路电压无明显变化，说明本发明的摩擦纳米发电机的稳定性好。
4)将实施例5的摩擦纳米发电机放置在空气中300天，分别于第10天、20天、30天和300天测试摩擦纳米发电机输出的开路电压，得到的耐老化性能测试结果图如图6所示。
由图6可知：实施例5的摩擦纳米发电机放置在空气中300天后输出的开路电压下降不超过20％，说明本发明的摩擦纳米发电机的耐老化性能好。
5)用实施例5的摩擦纳米发电机驱动数码管和LED灯珠(50个)，得到的测试照片如图7所示(图中的a为驱动数码管，b为驱动50个商用LED)。
由图7可知：本发明的摩擦纳米发电机可以驱动数码管和50个商用LED。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，其组成包括第一芳纶纤维层、第一银纳米线层、第二芳纶纤维层和第二银纳米线层；所述第一芳纶纤维层与第一银纳米线层贴合；所述第一银纳米线层和第二芳纶纤维层之间设置有间隙；所述第二芳纶纤维层与第二银纳米线层贴合。
2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一芳纶纤维层中芳纶纤维的长度为250μm～1100μm；所述第二芳纶纤维层中芳纶纤维的长度为250μm～1100μm。
3.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一芳纶纤维层中芳纶纤维的长度为650μm～1100μm；所述第二芳纶纤维层中芳纶纤维的长度为650μm～1100μm。
4.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一银纳米线层的面密度为0.25g/m2～2.0g/m2；所述第二银纳米线层的面密度为0.25g/m2～2.0g/m2。
5.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一银纳米线层的面密度为1.0g/m2～2.0g/m2；所述第二银纳米线层的面密度为1.0g/m2～2.0g/m2。
6.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一银纳米线层还连接有导线；所述第二银纳米线层还连接有导线。
7.权利要求1～6中任意一项所述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)配制芳纶纤维分散液，再浇注在微孔滤膜上，进行抽滤，得到芳纶纤维纸；
2)配制银纳米线分散液，再浇注在芳纶纤维纸上，进行抽滤，再进行热压，得到芳纶纤维-银纳米线复合纸；
3)将一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的银纳米线层与另一张芳纶纤维-银纳米线复合纸的芳纶纤维层相对设置并预留空隙进行组装，即得摩擦纳米发电机。
8.根据权利要求7所述的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：步骤1)所述芳纶纤维分散液的浓度为1mg/mL～3mg/mL。
9.根据权利要求7或8所述的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：步骤2)所述银纳米线分散液的浓度为1.5mg/mL～3.5mg/mL。
10.根据权利要求7或8所述的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：步骤2)所述热压在90℃～110℃下进行，热压时间为8min～10min。
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