CN113258819B - 一种二氧化钛/碳纳米花复合pdms薄膜的制备方法及应用 - Google Patents
一种二氧化钛/碳纳米花复合pdms薄膜的制备方法及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113258819B CN113258819B CN202110452356.9A CN202110452356A CN113258819B CN 113258819 B CN113258819 B CN 113258819B CN 202110452356 A CN202110452356 A CN 202110452356A CN 113258819 B CN113258819 B CN 113258819B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- titanium dioxide
- carbon
- film
- negative electrode
- positive electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 124
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 62
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 title claims abstract description 60
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 title claims abstract description 60
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 55
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 55
- 239000002057 nanoflower Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 title claims abstract 12
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 28
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 23
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims abstract description 21
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 11
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 24
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 17
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 16
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 12
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 11
- 238000013329 compounding Methods 0.000 claims description 11
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229920002292 Nylon 6 Polymers 0.000 claims description 10
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 10
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 claims description 10
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 claims description 9
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 claims description 8
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 8
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 7
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims description 7
- 229910000349 titanium oxysulfate Inorganic materials 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000010405 anode material Substances 0.000 claims description 6
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 6
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 4
- 238000000527 sonication Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract description 4
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011982 device technology Methods 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 37
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 13
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 10
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000010954 inorganic particle Substances 0.000 description 5
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 206010063385 Intellectualisation Diseases 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002783 friction material Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D183/00—Coating compositions based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Coating compositions based on derivatives of such polymers
- C09D183/04—Polysiloxanes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
- C09D7/40—Additives
- C09D7/60—Additives non-macromolecular
- C09D7/61—Additives non-macromolecular inorganic
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
- C09D7/40—Additives
- C09D7/70—Additives characterised by shape, e.g. fibres, flakes or microspheres
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
本发明涉及能量转化材料及器件技术，旨在提供一种二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜的制备方法及应用。包括：将环己烷与聚二甲基硅氧烷混合、搅拌至澄清；然后将二氧化钛/碳纳米花填充材料分散在其中，得到均匀的悬浊液；加入固化剂并搅拌，将悬浊液以旋涂方式涂覆在带有铝电极的亚克力板上，干燥成型得到薄膜状的复合材料。本发明制备工艺简单，可重复性高，适合量产。能显著提升界面极化效应，以及原位引入的导电碳单质在复合材料中构筑大量局部微电容，者协同改善介电性能，提高表面电荷密度进而提高摩擦纳米发电机的输出性能。可通过调节二氧化钛/碳纳米花的含量，实现对摩擦纳米发电机器件输出性能的调控；能将低频机械能转化为电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化钛/碳纳米花复合PDMS的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，属于能量转化材料及器件技术领域。
背景技术
近年来，电子设备的快速发展呈现小型化、轻量化、智能化、可移动和多功能的趋势。小型电子产品和传感器数量巨大且分布广泛，仅利用传统的电池进行驱动已经难以满足能源需求以及器件小型化的需求。摩擦纳米发电机作为一种新型绿色能源在可穿戴电子器件、物联网、环境、医疗等领域有着广泛的应用前景。
摩擦纳米发电机的原理来自麦克斯韦位移电流。垂直接触-分离式的摩擦纳米发电机是基于接触起电效应和静电感应的耦合作用。构筑材料表面粗糙微结构以及材料表面化学改性常常被用来提高摩擦纳米发电机的输出性能。但是这常常需要特殊的昂贵的设备以及复杂的工艺，限制了其大规模生产。为了将摩擦电纳米发电机的性能提升到实用水平，迫切需要一种低成本、高效率和重复性好的方法。
表面电荷密度作为反映摩擦纳米发电机性能的重要指标，这与摩擦材料的相对介电常数密切相关。因此可以通过有机材料与无机颗粒复合的策略来提升介电性能进而提升摩擦纳米发电机的输出性能。聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其较强的柔韧性，易于成膜，适合大规模生产等特性使其作为基底材料在能量转换方面具有潜在优势。但是其介电性能以及摩擦转化输出性能都略有不足，限制了其作为供能器件应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种二氧化钛/碳纳米花复合PDMS的纳米摩擦发电机的制备方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量比1∶1将环己烷加入到聚二甲基硅氧烷中，在室温下混合、搅拌至澄清；然后将二氧化钛/碳纳米花填充材料分散在所得溶液中，得到均匀的悬浊液；控制填充材料的添加量，使其占聚二甲基硅氧烷质量的1～9％。
(2)按固化剂和聚二甲基硅氧烷质量比1∶10，将固化剂加入上述悬浊液中，搅拌3～6h；将悬浊液以旋涂方式涂覆在带有铝电极的亚克力板上，在90～120℃烘箱中干燥6～10h成型，得到薄膜状的二氧化钛/碳-PDMS复合材料。
本发明中，步骤(1)中所述的分散为：超声0.5～2h后，在室温下搅拌6～12h；然后再重复超声和搅拌操作一次。
本发明中，步骤(1)中所述亚克力板的面积为20mm×20mm。
本发明中，所述二氧化钛/碳纳米花填充材料的制备方法是：将2ml硫酸氧钛滴加入23ml丙三醇和41ml乙醇溶液中，在室温下搅拌1小时得到澄清溶液；将其置于100ml反应釜中，在110℃下反应48h，反应结束后通过离心得到白色粉末；用水和乙醇对其进行清洗，然后放置在60℃烘箱中烘干，得到钛甘油盐前驱体；先转置于马弗炉中，在330℃下煅烧1h；最后转置于管式炉中，在氩气保护下575℃下煅烧2h，得到二氧化钛/碳纳米花填充材料。
本发明中，在马弗炉中煅烧时，控制升温速度为1℃/min；在管式炉中煅烧时，控制升温速度为2℃/min。
本发明进一步提供了利用前述方法制备获得的二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜作为负极材料的摩擦电能量转化器件，该摩擦电能量转化器件具有平行布置的正极和负极，并以聚酰亚胺薄膜封装形成剖面呈椭圆形的中空结构；正负极的电极端子与负载之间，分别以导线连接形成闭合电路；其中，
正极具有以亚克力板、双面导电镍胶和正极材料复合而成的三明治结构，在双面导电镍胶的边缘设有电极端子；负极具有以亚克力板、铝膜和负极材料复合而成的三明治结构，在铝膜的边缘设有电极端子；
正极材料为尼龙6(PA6)薄膜，负极材料为所述二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜，两者相对布置且保持间距。
本发明中，正极和负极的面积为20mm×20mm。
本发明中，正极材料与负极材料的间距最大不超过4mm。
本发明中，所述摩擦电能量转化器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)以尼龙6(PA6)薄膜为正极材料，以二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜作为负极材料，以亚克力板作为支撑材料；将亚克力板、双面导电镍胶和正极材料复合形成三明治结构的正极，并在双面导电镍胶的边缘设置电极端子；将亚克力板、铝膜和负极材料复合形成三明治结构的负极，并在铝膜的边缘设置电极端子；
(2)将正极和负极平行布置并保持间距，使正极材料和负极材料相对布置；用聚酰亚胺薄膜将正极和负极封装起来，形成剖面呈椭圆形的中空结构；
(3)以两根导线分别连接正负极的电极端子与负载，形成闭合电路。
发明原理描述：
本发明通过采用适当的方法，将二氧化钛/碳纳米花作为填料加入聚二甲基硅氧烷中，制备出复合薄膜。利用无机颗粒间、无机颗粒/聚合物间引入大量界面相互作用，显著提升界面极化效应；原位引入的导电碳单质在复合材料中构筑大量局部微电容；两者协同改善介电性能，提高表面电荷密度进而提高摩擦纳米发电机的输出性能。
相比于现有技术，本发明的主要特点如下：
(1)本发明的二氧化钛/碳纳米花复合PDMS的柔性薄膜制备工艺简单，可重复性高，适合量产。
(2)本发明的二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜因其花状结构使得无机颗粒间、无机颗粒/聚合物间引入大量界面相互作用，显著提升界面极化效应，以及原位引入的导电碳单质在复合材料中构筑大量局部微电容。这两者协同改善介电性能，提高表面电荷密度进而提高摩擦纳米发电机的输出性能。
(3)本发明可通过调节二氧化钛/碳纳米花的含量，实现对摩擦纳米发电机器件输出性能的调控；
(4)本发明的摩擦纳米发电机能量转化器件具有优异的输出电性能，能将低频机械能转化为电能，在可穿戴电子器件、物联网、环境、医疗等领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明摩擦纳米发电机能量转化器件的结构示意图；
其中附图标记：1双面导电镍胶，2尼龙6(PA6)薄膜，3二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜，4铝膜，5二氧化钛/碳纳米花，6聚酰亚胺薄膜，7亚克力板。
图2是本发明制备的PDMS薄膜的AFM图。
图3是本发明制备的二氧化钛/碳纳米花的SEM图。
图4是本发明制备的二氧化钛/碳-PDMS复合薄膜的AFM图。
图5是本发明制备的二氧化钛/碳-PDMS复合薄膜的表面高度分布图。
图6是本发明实施例3制备的摩擦纳米发电机工作时短路电流与时间的关系图。
图7是对比例制备的摩擦纳米发电机工作时短路电流与时间的关系图。
图8是对比例制备的薄膜与实施例3复合膜的介电性能对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式，具体阐释本发明的特点与优势。应当理解的是，以下所描述的具体实施方式仅用于说明并解释本发明，并不用于限制本发明。
各实施例中，按下述方式制备摩擦电能量转化器件：
(1)以尼龙6(PA6)薄膜为正极材料，以二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜作为负极材料，以亚克力板作为支撑材料；将亚克力板、双面导电镍胶和正极材料复合形成三明治结构的正极，并在双面导电镍胶的边缘设置电极端子；将亚克力板、铝膜和负极材料复合形成三明治结构的负极，并在铝膜的边缘设置电极端子；
(2)将正极和负极平行布置并保持间距最大不超过4mm，使正极材料和负极材料相对布置；用聚酰亚胺薄膜将正极和负极封装起来，形成剖面呈椭圆形的中空结构；
(3)以两根导线分别连接正负极的电极端子与负载，形成闭合电路。
实施例1
本实例以二氧化钛/碳纳米花为填料，以PDMS为基体材料，采用本发明所使用的方法，制备高性能摩擦电能量转化器件。
具体操作步骤如下：
(1)将2ml硫酸氧钛滴加入23ml丙三醇和41ml乙醇溶液中；在室温下搅拌1小时，得到澄清溶液，将其置于100ml反应釜中，在110℃下反应48h。反应结束后，通过离心得到白色粉末，再用水和乙醇对得到的白色粉末进行清洗，然后将其放置60℃烘箱中烘干，即可得到钛甘油盐前驱体。随后将钛甘油盐前驱体置于马弗炉中，在330℃下煅烧1h，升温速度为1℃/min。再将其置于管式炉中在氩气保护下575℃下煅烧2h，升温速度为2℃/min。即可得到二氧化钛/碳纳米花。
(2)将1g环己烷加入到1g聚二甲基硅氧烷中，室温下混合、搅拌至澄清；然后将0.01g二氧化钛/碳纳米花填充材料分散在溶液中，即填料占聚二甲基硅氧烷的质量百分比为1wt％，超声0.5h后室温搅拌6h并再重复此步骤一次，得到均匀的悬浊液。再将0.1g固化剂加入上述悬浊液中，搅拌3h，然后将其通过旋涂在带有铝电极的面积为20mm×20mm的亚克力板上，在90℃烘箱中干燥10h成型，得到二氧化钛/碳-PDMS复合薄膜；
(3)按前述方式制备摩擦电能量转化器件，在工作参数为50N、5Hz，正负极分离最大距离为4mm的接触-分离式工作模式下测试摩擦纳米发电机的输出性能。
本实例所述的摩擦纳米发电机工作时的短路电流输出约为62.53μA。
实施例2
本实例以二氧化钛/碳纳米花为填料，以PDMS为基体材料，采用本发明所使用的方法，制备高性能摩擦电能量转化器件。
具体操作步骤如下：
(1)将2ml硫酸氧钛滴加入23ml丙三醇和41ml乙醇溶液中；在室温下搅拌1小时，得到澄清溶液，将其置于100ml反应釜中，在110℃下反应48h。反应结束后，通过离心得到白色粉末，再用水和乙醇对得到的白色粉末进行清洗，然后将其放置60℃烘箱中烘干，即可得到钛甘油盐前驱体。随后将钛甘油盐前驱体置于马弗炉中，在330℃下煅烧1h，升温速度为1℃/min。再将其置于管式炉中在氩气保护下575℃下煅烧2h，升温速度为2℃/min。即可得到二氧化钛/碳纳米花。
(2)将1g环己烷加入到1g聚二甲基硅氧烷中，室温下混合、搅拌至澄清；然后将0.03g二氧化钛/碳纳米花填充材料分散在溶液中，即填料占聚二甲基硅氧烷的质量百分比为3wt％，超声2h后室温搅拌12h并再重复此步骤一次，得到均匀的悬浊液。再将0.1g固化剂加入上述悬浊液中，搅拌4h，然后将其通过旋涂在带有铝电极的面积为20mm×20mm的亚克力板上，在120℃烘箱中干燥6h成型，得到二氧化钛/碳-PDMS复合薄膜；
(3)按前述方式制备摩擦电能量转化器件，在工作参数为50N、5Hz，正负极分离最大距离为4mm的接触-分离式工作模式下测试摩擦纳米发电机的输出性能。
本实例所述的摩擦纳米发电机工作时的短路电流输出约为68.13μA。
实施例3
本实例以二氧化钛/碳纳米花为填料，以PDMS为基体材料，采用本发明所使用的方法，制备高性能摩擦电能量转化器件。
具体操作步骤如下：
(1)将2ml硫酸氧钛滴加入23ml丙三醇和41ml乙醇溶液中；在室温下搅拌1小时，得到澄清溶液，将其置于100ml反应釜中，在110℃下反应48h。反应结束后，通过离心得到白色粉末，再用水和乙醇对得到的白色粉末进行清洗，然后将其放置60℃烘箱中烘干，即可得到钛甘油盐前驱体。随后将钛甘油盐前驱体置于马弗炉中，在330℃下煅烧1h，升温速度为1℃/min。再将其置于管式炉中在氩气保护下575℃下煅烧2h，升温速度为2℃/min。即可得到二氧化钛/碳纳米花。
(2)将1g环己烷加入到1g聚二甲基硅氧烷中，室温下混合、搅拌至澄清；然后将0.05g二氧化钛/碳纳米花填充材料分散在溶液中，即填料占聚二甲基硅氧烷的质量百分比为5wt％，超声1h后室温搅拌10h并再重复此步骤一次，得到均匀的悬浊液。再将0.1g固化剂加入上述悬浊液中，搅拌4h，然后将其通过旋涂在带有铝电极的面积为20mm×20mm的亚克力板上，在110℃烘箱中干燥8h成型，得到二氧化钛/碳-PDMS复合薄膜；
(3)按前述方式制备摩擦电能量转化器件，在工作参数为50N、5Hz，正负极分离最大距离为4mm的接触-分离式工作模式下测试摩擦纳米发电机的输出性能。
本实例所述的摩擦纳米发电机工作时的短路电流输出与时间的关系，如附图5所示。约为86.83μA。
实施例4
本实例以二氧化钛/碳纳米花为填料，以PDMS为基体材料，采用本发明所使用的方法，制备高性能摩擦电能量转化器件。
具体操作步骤如下：
(1)将2ml硫酸氧钛滴加入23ml丙三醇和41ml乙醇溶液中；在室温下搅拌1小时，得到澄清溶液，将其置于100ml反应釜中，在110℃下反应48h。反应结束后，通过离心得到白色粉末，再用水和乙醇对得到的白色粉末进行清洗，然后将其放置60℃烘箱中烘干，即可得到钛甘油盐前驱体。随后将钛甘油盐前驱体置于马弗炉中，在330℃下煅烧1h，升温速度为1℃/min。再将其置于管式炉中在氩气保护下575℃下煅烧2h，升温速度为2℃/min。即可得到二氧化钛/碳纳米花。
(2)将1g环己烷加入到1g聚二甲基硅氧烷中，室温下混合、搅拌至澄清；然后将0.07g二氧化钛/碳纳米花填充材料分散在溶液中，即填料占聚二甲基硅氧烷的质量百分比为7wt％，超声1h后室温搅拌8h并再重复此步骤一次，得到均匀的悬浊液。再将0.1g固化剂加入上述悬浊液中，搅拌5h，然后将其通过旋涂在带有铝电极的面积为20mm×20mm的亚克力板上，在110℃烘箱中干燥9h成型，得到二氧化钛/碳-PDMS复合薄膜；
(3)按前述方式制备摩擦电能量转化器件，在工作参数为50N、5Hz，正负极分离最大距离为4mm的接触-分离式工作模式下测试摩擦纳米发电机的输出性能。
本实例所述的摩擦纳米发电机工作时的短路电流输出约为70.59μA。
实施例5
本实例以二氧化钛/碳纳米花为填料，以PDMS为基体材料，采用本发明所使用的方法，制备高性能摩擦电能量转化器件。
具体操作步骤如下：
(1)将2ml硫酸氧钛滴加入23ml丙三醇和41ml乙醇溶液中；在室温下搅拌1小时，得到澄清溶液，将其置于100ml反应釜中，在110℃下反应48h。反应结束后，通过离心得到白色粉末，再用水和乙醇对得到的白色粉末进行清洗，然后将其放置60℃烘箱中烘干，即可得到钛甘油盐前驱体。随后将钛甘油盐前驱体置于马弗炉中，在330℃下煅烧1h，升温速度为1℃/min。再将其置于管式炉中在氩气保护下575℃下煅烧2h，升温速度为2℃/min。即可得到二氧化钛/碳纳米花。
(2)将1g环己烷加入到1g聚二甲基硅氧烷中，室温下混合、搅拌至澄清；然后将0.09g二氧化钛/碳纳米花填充材料分散在溶液中，即填料占聚二甲基硅氧烷的质量百分比为9wt％，超声2h后室温搅拌8h并再重复此步骤一次，得到均匀的悬浊液。再将0.1g固化剂加入上述悬浊液中，搅拌6h，然后将其通过旋涂在带有铝电极的面积为20mm×20mm的亚克力板上，在90℃烘箱中干燥10h成型，得到二氧化钛/碳-PDMS复合薄膜；
(3)按前述方式制备摩擦电能量转化器件，在工作参数为50N、5Hz，正负极分离最大距离为4mm的接触-分离式工作模式下测试摩擦纳米发电机的输出性能。
本实例所述的摩擦纳米发电机工作时的短路电流输出约为59.53μA。
对比例
本实例以市售PDMS材料按本发明所述方法制备摩擦纳米发电机负极材料，并采用本发明所使用的方法，制备摩擦电能量转化器件。
具体操作步骤如下：
(1)将1g环己烷加入到1g聚二甲基硅氧烷中，室温下混合、搅拌至10h得到澄清溶液。再将0.1g固化剂加入上述溶液中，搅拌4h，然后将其通过旋涂在带有铝电极的面积为20mm×20mm的亚克力板上，在110℃烘箱中干燥8h成型，得到PDMS薄膜；
(3)按前述方式制备摩擦电能量转化器件，在工作参数为50N、5Hz，正负极分离最大距离为4mm的接触-分离式工作模式下测试摩擦纳米发电机的输出性能。
本对比例所述的摩擦纳米发电机工作时的短路电流输出与时间的关系，如附图6所示。约为28.52μA。
实施效果对比
本发明中的填充材料二氧化钛/碳纳米花尺寸均一，花状结构使得颗粒具有较大的表面积，大量界面相互作用，有利于界面极化效应，改善介电性能。二氧化钛/碳纳米花中原位引入的导电碳单质在复合材料中构筑大量局部微电容，形成微电容网络。界面效应以及微电容网络两者协同改善介电性能。如图7所示，在1kHz频率下，PDMS的介电常数为2.57；而在实施例3中，掺入5wt％二氧化钛/碳纳米花后复合薄膜的介电常数提升至4.08；在如此低的填充含量下介电常数得到显著提升的同时还能保持复合薄膜优异的柔韧性。提高表面电荷密度进而提高摩擦纳米发电机的输出性能。组装得到的摩擦纳米发电机器件的输出性能从28.52μA提升至86.83μA，显现出极大的提升。因此该复合薄膜在可穿戴电子器件、物联网、环境、医疗等领域有着广泛的应用前景。
需要说明的是，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按质量比1∶1将环己烷加入到聚二甲基硅氧烷中，在室温下混合、搅拌至澄清；然后将二氧化钛/碳纳米花填充材料分散在所得溶液中，得到均匀的悬浊液；控制填充材料的添加量，使其占聚二甲基硅氧烷质量的1～9％；
(2)按固化剂和聚二甲基硅氧烷质量比1∶10，将固化剂加入上述悬浊液中，搅拌3～6h；将悬浊液以旋涂方式涂覆在带有铝电极的亚克力板上，在90～120℃烘箱中干燥6～10h成型，得到薄膜状的二氧化钛/碳-PDMS复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的分散为：超声0.5～2h后，在室温下搅拌6～12h；然后再重复超声和搅拌操作一次。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述亚克力板的面积为20mm×20mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化钛/碳纳米花填充材料的制备方法是：将2ml硫酸氧钛滴加入23ml丙三醇和41ml乙醇溶液中，在室温下搅拌1小时得到澄清溶液；将其置于100ml反应釜中，在110℃下反应48h，反应结束后通过离心得到白色粉末；用水和乙醇对其进行清洗，然后放置在60℃烘箱中烘干，得到钛甘油盐前驱体；先转置于马弗炉中，在330℃下煅烧1h；最后转置于管式炉中，在氩气保护下575℃下煅烧2h，得到二氧化钛/碳纳米花填充材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在马弗炉中煅烧时，控制升温速度为1℃/min；在管式炉中煅烧时，控制升温速度为2℃/min。
6.利用权利要求1所述方法制备获得的二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜作为负极材料的摩擦电能量转化器件，其特征在于，该摩擦电能量转化器件具有平行布置的正极和负极，并以聚酰亚胺薄膜封装形成剖面呈椭圆形的中空结构；正负极的电极端子与负载之间，分别以导线连接形成闭合电路；其中，
正极具有以亚克力板、双面导电镍胶和正极材料复合而成的三明治结构，在双面导电镍胶的边缘设有电极端子；负极具有以亚克力板、铝膜和负极材料复合而成的三明治结构，在铝膜的边缘设有电极端子；
正极材料为尼龙6薄膜，负极材料为所述二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜，两者相对布置且保持间距。
7.根据权利要求6所述的摩擦电能量转化器件，其特征在于，正极和负极的面积为20mm×20mm。
8.根据权利要求6所述的摩擦电能量转化器件，其特征在于，正极材料与负极材料的间距最大不超过4mm。
9.权利要求6所述摩擦电能量转化器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以尼龙6薄膜为正极材料，以二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜作为负极材料，以亚克力板作为支撑材料；将亚克力板、双面导电镍胶和正极材料复合形成三明治结构的正极，并在双面导电镍胶的边缘设置电极端子；将亚克力板、铝膜和负极材料复合形成三明治结构的负极，并在铝膜的边缘设置电极端子；
(2)将正极和负极平行布置并保持间距，使正极材料和负极材料相对布置；用聚酰亚胺薄膜将正极和负极封装起来，形成剖面呈椭圆形的中空结构；
(3)以两根导线分别连接正负极的电极端子与负载，形成闭合电路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110452356.9A CN113258819B (zh) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | 一种二氧化钛/碳纳米花复合pdms薄膜的制备方法及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110452356.9A CN113258819B (zh) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | 一种二氧化钛/碳纳米花复合pdms薄膜的制备方法及应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113258819A CN113258819A (zh) | 2021-08-13 |
| CN113258819B true CN113258819B (zh) | 2022-06-14 |
Family
ID=77221739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110452356.9A Active CN113258819B (zh) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | 一种二氧化钛/碳纳米花复合pdms薄膜的制备方法及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113258819B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117618080A (zh) * | 2023-11-03 | 2024-03-01 | 哈尔滨工业大学 | 一种辅助超声介入的柔性可三维重建超声贴片 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107493029A (zh) * | 2017-07-10 | 2017-12-19 | 东华大学 | 表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机及其制备 |
| CN108667339A (zh) * | 2018-04-25 | 2018-10-16 | 东华大学 | 一种原位聚合表面修饰的纤维基摩擦纳米发电机及其制备 |
| CN109412456A (zh) * | 2018-11-03 | 2019-03-01 | 东华大学 | 用于将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机及其制备方法 |
| KR20200139614A (ko) * | 2019-06-04 | 2020-12-14 | 숭실대학교산학협력단 | 초발수 코팅용 조성물, 이를 통해 형성된 초발수 코팅층 및 이의 형성방법 |
-
2021
- 2021-04-26 CN CN202110452356.9A patent/CN113258819B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107493029A (zh) * | 2017-07-10 | 2017-12-19 | 东华大学 | 表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机及其制备 |
| CN108667339A (zh) * | 2018-04-25 | 2018-10-16 | 东华大学 | 一种原位聚合表面修饰的纤维基摩擦纳米发电机及其制备 |
| CN109412456A (zh) * | 2018-11-03 | 2019-03-01 | 东华大学 | 用于将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机及其制备方法 |
| KR20200139614A (ko) * | 2019-06-04 | 2020-12-14 | 숭실대학교산학협력단 | 초발수 코팅용 조성물, 이를 통해 형성된 초발수 코팅층 및 이의 형성방법 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "Highly ordered TiO2 nano-pore arrays fabricated from a novel polymethylmethacrylate/polydimethylsiloxane soft template";P. Zhong and W. X. Que*;《NANO-MICRO LETTERS》;20100415;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113258819A (zh) | 2021-08-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2015010524A1 (zh) | 锂离子电池负极活性材料的制备方法 | |
| Huang et al. | Ni 3 S 4 supported on carbon cloth for high-performance flexible all-solid-state asymmetric supercapacitors | |
| CN1833352A (zh) | 致动器元件及其生产方法 | |
| Wang et al. | Facile fabrication of ethylene glycol intercalated cobalt-nickel layered double hydroxide nanosheets supported on nickel foam as flexible binder-free electrodes for advanced electrochemical energy storage | |
| CN105098151A (zh) | 一种二硫化钼-碳空心球杂化材料及其制备方法 | |
| Tong et al. | Poly (ethylene glycol)-block-poly (propylene glycol)-block-poly (ethylene glycol)-assisted synthesis of graphene/polyaniline composites as high-performance supercapacitor electrodes | |
| CN106449135B (zh) | 一种基于有序碳纳米管复合膜的可拉伸电容器及其制备 | |
| CN109486207B (zh) | 一种高粘结性柔性导电电极及其制备方法 | |
| CN113136042B (zh) | 一种基于CTAB改性聚苯乙烯复合P(VDF-TrFE)的摩擦电能量转化器件 | |
| CN107663276B (zh) | 一种纳米粒子-高分子聚合物复合驻极体薄膜、其制备方法及含有该薄膜的摩擦纳米发电机 | |
| CN113258819B (zh) | 一种二氧化钛/碳纳米花复合pdms薄膜的制备方法及应用 | |
| CN108878174B (zh) | 一种三氧化二铁纳米片/石墨烯电极材料的制备方法 | |
| CN109503962A (zh) | 一种高电致形变介电弹性体复合材料及其制备方法 | |
| CN107915998B (zh) | 一种具有预置结构的介电弹性体材料及其制备方法 | |
| CN107955307A (zh) | 二氧化硅/氧化镁/聚合物复合介电疏水材料及制备方法 | |
| CN111087635A (zh) | 一种摩擦纳米发电机用pdms@f-mof复合薄膜及其制备方法 | |
| Bai et al. | Lattice water removal from nickel–cobalt Prussian blue analogues by polyaniline coating for flexible sodium ion supercapacitor devices | |
| CN115073779B (zh) | 改性氮化硼纳米片复合P(VDF-TrFE)制备超疏水薄膜的方法及应用 | |
| CN113788476A (zh) | 一种连续制备石墨烯薄膜的系统及方法 | |
| CN106992247B (zh) | 一种纳米发电机及其制造方法 | |
| CN116914082A (zh) | 一种自支撑柔性正极、准固态柔性锌离子电池及制备方法 | |
| CN113773541B (zh) | 一种高击穿、低介损的ktn/pi复合薄膜的制备方法 | |
| CN113991069B (zh) | 一种以g-C3N4/ZnO为碳源的铅碳电池负极的制备工艺 | |
| Wu et al. | Grinding to produce polydopamine-modified polypyrrole nanotubes with enhanced performance for sodium-ion capacitor | |
| CN114292522B (zh) | 基于蚕丝蛋白和二维金属有机框架材料复合薄膜及摩擦纳米发电机的制备方法和应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |