CN113497178A - 一种压电化学纤维、其制备方法及应用 - Google Patents
一种压电化学纤维、其制备方法及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113497178A CN113497178A CN202010257817.2A CN202010257817A CN113497178A CN 113497178 A CN113497178 A CN 113497178A CN 202010257817 A CN202010257817 A CN 202010257817A CN 113497178 A CN113497178 A CN 113497178A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber
- conductive
- chemical fiber
- piezoelectric
- piezo
- 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.)
- Pending
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 266
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 91
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 22
- 239000011245 gel electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 41
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 15
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 14
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 7
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 7
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 6
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 3
- 150000003841 chloride salts Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 claims description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 31
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 31
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 18
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 18
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 7
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 7
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 6
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 5
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 5
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 2
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 239000004964 aerogel Substances 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010041 electrostatic spinning Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000011112 process operation Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000009182 swimming Effects 0.000 description 1
- 230000005619 thermoelectricity Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
- H10N30/098—Forming organic materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/857—Macromolecular compositions
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种压电化学纤维、其制备方法及应用。所述压电化学纤维包括由导电纤维形成的可拉伸结构，且所述可拉伸结构表面覆盖有凝胶电解质；所述压电化学纤维在被施加机械刺激时，两端会产生电势差，从而能够输出电压信号。所述制备方法包括：提供具有大比表面积、可拉伸变形的导电纤维；使凝胶电解质与所述导电纤维的表面接触，获得压电化学纤维，所述压电化学纤维在被施加机械刺激时，两端会产生电势差，从而能够输出电压信号。本发明制备过程简单，直接在大比表面积导电纤维表面涂覆一层凝胶电解质即可实现，且为单电极体系，经过简单封装后即可实现各种环境下的应用，可应用于制备柔性纳米发电机或自供能传感器等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电化学纤维，尤其涉及一种新型压电化学纤维及其制备方法，以及其应用，属于纳米新材料技术领域。
背景技术
作为人类社会发展和进步的基础，能源与每一种自然和社会活动密切相关。经过数千年的研究，能量被收集并应用于各种环境中，并根据不同类型和能量的使用形式开发了一系列能量转换装置。传统的能量收集和转换策略通常是基于电磁转换、光伏、热电等，实现了化学能、热能、机械能向电能的转换。然而，随着传统化石能源的枯竭及其带来的环境污染，科学家更倾向于寻找和利用新的可再生清洁能源，这种能源基于机电转换而不是化学能-电能和热能-电能模式。
众所周知，机械能可通过电磁感应转换为电能，清洁的机械能可来自风、潮汐、水波等。然而，基于电磁换能器的能量转换装置的尺寸大，结构复杂，不符合下一代微电子和纳米电子系统的设计和应用要求。人体运动、雨滴、流水等废弃能源在自然界中无处不在，但几乎从未被利用过。随着纳米技术的进步和能量转换机制的新发现，科学家们设计了能够通过压电、摩擦电和水伏效应收集并将废能转化为电能的高效和微型化能量转换装置的新设计，以试图应对新的对电子系统的需求。设计的微-纳米发电机可以收集如人体运动、行走、振动、风、雨滴、流水等在内的自然界无所不在的清洁“废能”，通过压电效应、摩擦电效应或水伏效应转换成电能并加以储存利用。这些设备不仅可以应用于发电，还可以广泛应用于灵敏的传感器，尤其是无需外部电源的任何需要电力的自供能传感器。
王中林院士团队利用摩擦电和静电感应的相互耦合作用，通过对摩擦电对及器件结构的设计，制备了一系列能够收集诸如人体运动、风力、雨水击打等等微小且难以收集利用的能量，并制备了相应的摩擦纳米发电机或者是自供能的传感器应用于运动检测及人体健康检测(Adv.Mater.2017,29,1603115/ACS Nano 2018,12,4280-4285/Adv.Sci.2019,1801883)。
曲良体老师团队通过对氧化石墨烯进行梯度还原，并对石墨烯和电极界面结构进行调控制备了一种高性能的蒸汽驱动水伏纳米发电机，能够在环境湿度变化时产生高达1.5V的电压，有望应用于自供能微型电子设备及传感器领域(Energy Environ.Sci.2018,11,1730-1735/Nature communications,2018,9(1):4166.)。
郭万林老师团队在泳动电势的原理基础上利用纳米碳材料制备了一种水伏纳米发电机，可以实现高达1.3V的电压输出，并可通过串并联的模式提高输出电压或电流点亮LED灯或给计算器供电(Nature nanotechnology,2017,12(4):317.)。
彭慧胜老师团队以碳纳米管/聚合物复合纤维为基体，掺杂有序介孔碳制备了在水流作用下能够产生120mV电压的水伏流体纳米发电机。而后通过对碳纳米管纤维进行氧等离子体处理之后与另一原始碳纳米管纤维组成双电极体系，利用sp2杂化碳原子的极化作用制备水伏发电机，能够在静止的水中输出功率密度超过700mW/m2的电能(Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,12940–12945/Adv.Mater.2018,1707635)。
美国Ray.H.Baughman教授团队报道了一种碳纳米管纱线能量收集器，能够将拉伸或扭转机械能以电化学的方式转化为电能收集利用，在拉伸时可产生最大250W/Kg的功率密度的电能，可被应用于海洋波浪能的收集利用(Science,2017,357,773–778)。
以上研究均表明，纳米材料由于其高比表面积、高导电性和多样化宏观组装形式，如纤维、薄膜和三维气凝胶泡沫而比其他材料更受关注。目前，虽然能量转换效率低于传统的电磁感应模式，但基于纳米材料的微型能量转换装置在智能传感和废能回收利用中的应用具有巨大的潜力。
并且，现有的摩擦纳米发电机结构较为复杂，对于摩擦电对的设计要求高，并且其基于摩擦电效应和静电感应的机理表明了其对湿度的敏感性，需要严格的封装以隔绝水汽，不耐盐碱环境侵蚀。
再者，水伏效应是纳米碳材料表面与环境介质相接触的界面处的相互作用，通常需要在潮湿环境或水溶液中才能产生作用，且一般为两电极或三电极体系，即需要功能体以外的介质辅助，应用面比较受限。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种压电化学纤维及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
本发明的另一目的在于提供所述压电化学纤维的用途。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种压电化学纤维，其包括由导电纤维形成的可拉伸结构，且所述可拉伸结构表面覆盖有凝胶电解质；所述压电化学纤维在被施加机械刺激时，两端会产生电势差，从而能够输出电压信号。
在一些优选实施例中，所述可拉伸结构由弹性导电纤维形成。
进一步地，所述可拉伸结构包括由导电纤维形成的单螺旋、双螺旋或多螺旋结构。
本发明实施例提供了一种压电化学纤维的制备方法，其包括：
提供具有大比表面积、可拉伸变形的导电纤维；
使凝胶电解质与所述导电纤维的表面接触，获得压电化学纤维，所述压电化学纤维在被施加机械刺激时，两端会产生电势差，从而能够输出电压信号。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的压电化学纤维。
本发明实施例还提供了前述压电化学纤维于制备柔性纳米发电机或自供能传感器中的应用。
本发明实施例还提供了一种能量转换机构，其包括前述的压电化学纤维。
本发明实施例还提供了一种能量转换方法，其包括：
提供前述的压电化学纤维；以及
对所述压电化学纤维施加机械刺激，使所述压电化学纤维两端产生电势差，并输出电压信号，实现机械能向电能的转换。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：
1)本发明原创性的发现了材料表面与电解质接触界面处新的相互作用现象，可应用于结构简单、无需其他额外装置辅助、应用面广的柔性纳米发电机或自供能传感器；
2)本发明的压电化学纤维结构及制备过程简单，直接在大比表面积导电纤维表面涂覆一层凝胶电解质即可实现，且为单电极体系，无需额外借助对电极或参比电极来实现电压差的输出；
3)本发明的压电化学纤维经过简单封装后即可实现各种环境下的应用，无论潮湿或干燥环境，空气中或者液体中均能良好工作。
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中记载的一些实施例，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是本发明一典型实施方案中新型压电化学纤维的制备流程图。
图2a和图2b分别是本发明实施例1中制备的压电化学纤维涂覆PVA/H2SO4凝胶电解质后在不同频率、不同应变下的实测电压数据图。
图2c是本发明实施例1中纯纤维、纤维+PVA、以及纤维+PVA/H2SO4凝胶电解质的对比示意图。
图2d和图2e分别是本发明实施例2中制备的压电化学纤维涂覆PVA/KOH凝胶电解质后在不同频率、不同应变下的实测电压数据图。
图2f是本发明实施例2中纯纤维、纤维+PVA、以及纤维+PVA/H2SO4凝胶电解质的对比示意图。
图3是本发明一典型实施方案中制备的压电化学纤维在不同的凝胶电解质PVA/KOH、PVA/H2SO4中的输出信号示意图。
图4是本发明实施例2中制备的压电化学纤维涂覆PVA/H2SO4凝胶电解质后在不同拉伸频率下进行测试的实测电压数据图。
图5是本发明实施例3中制备的压电化学纤维涂覆PVA/H2SO4凝胶电解质后在不同拉伸频率下进行测试的实测电压数据图。
图6是本发明实施例4中制备的压电化学纤维涂覆PVA/H2SO4凝胶电解质后在不同拉伸频率下进行测试的实测电压数据图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，拟在材料表面与环境介质接触相互作用的基础上，即在大比表面积导电纤维表面涂覆凝胶电解质的单电极结构模式，研究新的能量转换模式，实现制备一种结构简单、无需其他额外装置辅助、应用面广的柔性纳米发电机或自供能传感器。
请参阅图1所示，本发明提供的新型压电化学纤维的原理是基于材料表面与电解质相接触界面处的相互作用，静止时，在界面处形成电化学双电层，在沿纤维长度方向上电荷均匀分布；在不对称拉伸时，螺旋结构的拉伸变形跟不上力的传递，变形有驰豫，导致沿纤维方向上比表面积不均匀变化，造成电荷密度梯度不均分布，从而使得纤维两端的电势差不同，产生电压信号输出。基于此原理，这一特殊压电化学过程要求纤维材料导电的同时具有较大的比表面积、一定的力学强度和良好的柔韧性和弹性。
本发明实施例的一个方面提供的一种压电化学纤维，其包括由导电纤维形成的可拉伸结构，且所述可拉伸结构表面覆盖有凝胶电解质；所述压电化学纤维在被施加机械刺激时，两端会产生电势差，从而能够输出电压信号。
在一些实施例中，所述可拉伸结构由弹性导电纤维形成。
在一些实施例中，所述可拉伸结构包括由导电纤维形成的单螺旋、双螺旋或多螺旋结构等，但不限于此。
进一步地，所述可拉伸结构包括对拉伸状态下的导电纤维进行加捻而形成的螺旋结构。
更进一步地，所述可拉伸结构包括由具有单螺旋结构的导电纤维自绞合合股形成的双螺旋结构，所述单螺旋结构是对拉伸状态下的导电纤维进行加捻而形成。
在一些实施例中，所述可拉伸结构包括由导电纤维形成的弹簧结构。
在一些实施例中，所述机械刺激包括不对称拉伸、扭转、弯折等中的任意一种或多种的组合，但不限于此。
进一步地，所述压电化学纤维的比表面积大于100m2/g、力学强度大于150MPa。
进一步地，所述导电纤维包括碳纳米管纤维、石墨烯纤维、导电聚合物纤维、碳材料/聚合物复合纤维等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
本发明实施例的一个方面提供的一种压电化学纤维的制备方法，其包括：
提供具有大比表面积、可拉伸变形的导电纤维；
使凝胶电解质与所述导电纤维的表面接触，获得压电化学纤维，所述压电化学纤维在被施加机械刺激时，两端会产生电势差，从而能够输出电压信号。
进一步地，所述导电纤维的比表面积大于100m2/g，优选大于120m2/g(越大越好)，拉伸强度大于150MPa，越大越好。
在一些实施例中，所述导电纤维能够形成可拉伸结构，优选为紧密螺旋结构或者疏松弹簧结构等可拉伸结构，但不限于此。
例如，所述可拉伸结构包括由导电纤维形成的单螺旋、双螺旋或多螺旋结构等，但不限于此。
在一些实施例中，所述导电纤维包括弹性导电纤维或者非弹性导电纤维，其中，对于弹性导电纤维，直的纤维就可以，而非弹性导电纤维就必须借助螺旋结构等可拉伸结构来增加纤维的可拉伸性。此外，本发明所使用的纤维必须具有一定的导电性。
进一步地，如果导电纤维本身具有较好的弹性，可省略加捻步骤，不过最好能保证螺旋弹簧结构，这样能充分发挥拉伸时产生的结构不对称性，同时可大幅提升变形范围。
进一步地，所述导电纤维包括碳纳米管纤维、石墨烯纤维、导电聚合物纤维、碳材料/聚合物复合纤维等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些实施例中，所述制备方法包括：在拉伸状态下，对所述导电纤维进行加捻处理，得到螺旋状导电纤维。
进一步地，所述加捻处理采用的速度为60～300r/min。本发明的加捻速度在60-300r/min内均可，加捻速度太慢导致加捻时间过长，加捻速度太快易导致加捻后的螺旋结构不均匀，故最佳在60～300r/min之间。
进一步地，所述螺旋状导电纤维的捻度为15000～30000r/m。
在一些实施例中，所述制备方法还包括：使所述螺旋状导电纤维自合股，形成双螺旋结构导电纤维。本发明的双螺旋结构与单螺旋结构相比，优势在于结构自支撑性更好，循环稳定性更好，因此可以作为更为一种优选的方案。
在一些实施例中，所述可拉伸结构包括由导电纤维形成的弹簧结构。
在一些实施例中，所述制备方法包括：将凝胶电解质涂覆包裹于所述可拉伸结构表面，获得所述压电化学纤维。
进一步地，所述凝胶电解质包括PVA(聚乙烯醇)基凝胶电解质，其中电解质包括酸(例如H2SO4)、碱(例如KOH)或氯化盐等，也可以是其他导电水凝胶，但不限于此。
在一些实施例中，所述机械刺激包括不对称拉伸、扭转、弯折等中的任意一种或多种的组合，但不限于此。
在一些更为优选的实施例中，根据图1中的流程图，一种新型压电化学纤维的制备过程具体如下：
1、选取一定长度导电纤维(碳纳米管纤维、石墨烯纤维、导电聚合物纤维以及导电复合纤维均可)，一端系于旋转电机，一端悬挂重物以施加一定应力，在200r/min(转速无特殊要求)的速度下加捻直至完全形成螺旋结构(a)，制备螺旋状导电纤维(b)，捻度大约为24000r/m，螺旋结构形式能够大大提高导电纤维的弹性和拉伸应变。为了方便测试，将两根银丝分别与导电纤维两端相连作为电极，与万用表或数据采集卡相连，将银丝与导电纤维相接处用环氧树脂热封绝缘以避免银丝和导电纤维之间在电解质中产生接触腐蚀影响实验准确性，然后将调配好的凝胶电解质涂覆包裹在导电螺旋纤维上(c)。测试时将螺旋导电纤维一端固定，循环拉伸另一端，即可在螺旋导电纤维两端产生电压信号，信号可以通过数字万用表或者是数据采集卡收集记录。此外，为了提高螺旋导电纤维的拉伸稳定性和循环寿命，本案发明人设计了自合股的双螺旋导电纤维，制备过程为：将单螺旋导电纤维(b)水平放置并固定两端，在单螺旋导电纤维中间挂一重物(d)，然后将单螺旋导电纤维两端靠拢，单螺旋导电纤维将在重物重力作用以及自身大扭矩作用下自合股形成稳定的双螺旋结构导电纤维(e)，同理再在双螺旋结构导电纤维两端连接银丝，用环氧树脂做绝缘，涂覆凝胶电解质即完成双螺旋结构压电化学纤维的制备(f)。
本发明实施例的另一个方面提供了由前述方法制备的压电化学纤维，所述压电化学纤维在被施加机械刺激时，两端会产生电势差，从而能够输出电压信号。
进一步地，所述机械刺激包括不对称拉伸、扭转、弯折等中的任意一种或多种的组合，但不限于此。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述压电化学纤维于制备柔性纳米发电机或自供能传感器中的应用。
本发明的压电化学纤维经过简单封装后即可实现各种环境下的应用，无论潮湿或干燥环境，空气中或者液体中均能良好工作。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种能量转换机构，其包括前述的压电化学纤维。
进一步地，所述压电化学纤维的两端还分别连接有电极。
进一步地，所述可拉伸结构的两端分别与一电极绝缘密封连接。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种能量转换方法，其包括：
提供前述的压电化学纤维；以及
对所述压电化学纤维施加机械刺激，使所述压电化学纤维两端产生电势差，并输出电压信号，实现机械能向电能的转换。
综上所述，本发明的压电化学纤维结构及制备过程简单，直接在大比表面积导电纤维表面涂覆一层凝胶电解质即可实现，且为单电极体系，无需额外借助对电极或参比电极来实现电压差的输出。
下面通过具体实施例及附图对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1
本实施例中一种新型压电化学纤维的制备过程具体如下：
参照图1，选取一定长度碳纳米管纤维，一端系于旋转电机，一端悬挂重物以施加一定应力，在200r/min的速度下加捻直至完全形成螺旋结构(a)，制备螺旋状导电纤维(b)，捻度大约为24000r/m，螺旋结构形式能够大大提高导电纤维的弹性和拉伸应变。为了方便测试，将两根银丝分别与导电纤维两端相连作为电极，与万用表或数据采集卡相连，将银丝与导电纤维相接处用环氧树脂热封绝缘以避免银丝和导电纤维之间在电解质中产生接触腐蚀影响实验准确性，然后将调配好的凝胶电解质涂覆包裹在导电螺旋纤维上(c)。测试时将螺旋导电纤维一端固定，循环拉伸另一端，即可在螺旋导电纤维两端产生电压信号，信号可以通过数字万用表或者是数据采集卡收集记录。此外，为了提高螺旋导电纤维的拉伸稳定性和循环寿命，本案发明人设计了自合股的双螺旋导电纤维，制备过程为：将单螺旋导电纤维(b)水平放置并固定两端，在单螺旋导电纤维中间挂一重物(d)，然后将单螺旋导电纤维两端靠拢，单螺旋导电纤维将在重物重力作用以及自身大扭矩作用下自合股形成稳定的双螺旋结构导电纤维(e)，同理再在双螺旋结构导电纤维两端连接银丝，用环氧树脂做绝缘，涂覆凝胶电解质即完成双螺旋结构压电化学纤维的制备(f)。
本案发明人还对上述步骤制备的压电化学纤维分别涂覆PVA/H2SO4和PVA/KOH凝胶电解质后在不同频率、不同应变下的进行测试，实测电压数据图，并且进行了纯纤维、纤维+PVA(无H2SO4或KOH等电解液)以及纤维+PVA/H2SO4或KOH电解质液的对比试验，验证了新型压电纤维在形变下独特的产能现象。
请参阅图2a和图2b示出了本实施例制备的压电化学纤维涂覆PVA/H2SO4凝胶电解质后在不同频率、不同应变下的实测电压数据图。图2c示出了本实施例中纯纤维、纤维+PVA、以及纤维+PVA/H2SO4凝胶电解质的对比示意图。
图2d和图2e示出了本实施例中制备的压电化学纤维涂覆PVA/KOH凝胶电解质后在不同频率、不同应变下的实测电压数据图。图2f示出了本实施例中纯纤维、纤维+PVA、以及纤维+PVA/H2SO4凝胶电解质的对比示意图。
请参阅图3所示，为压电化学纤维在不同的凝胶电解质PVA/KOH、PVA/H2SO4中的输出信号示意图，从图中可以看出该压电化学纤维在不同的凝胶电解质中输出的信号有不同的极性(PVA/KOH中先正后负，PVA/H2SO4中先负后正)。
实施例2
采用溶液纺丝制备的氧化石墨烯(GO)纤维经还原处理得到石墨烯纤维(rGO)，参照图1，取一定长度的石墨烯纤维一端系于旋转电机，一端悬挂重物以施加一定应力，在300r/min的速度下加捻直至完全形成螺旋结构(a)，制备螺旋状导电纤维(b)，捻度大约为30000r/m。将两根银丝分别与导电纤维两端相连作为电极，与万用表或数据采集卡相连，将银丝与导电纤维相接处用环氧树脂热封绝缘以避免银丝和导电纤维之间在电解质中产生接触腐蚀影响实验准确性，然后将调配好的凝胶电解质涂覆包裹在导电螺旋纤维上(c)。测试时将螺旋导电纤维一端固定，循环拉伸另一端，即可在螺旋导电纤维两端产生电压信号，信号可以通过数字万用表或者是数据采集卡收集记录。
本案发明人对上述步骤制备的压电化学纤维涂覆PVA/H2SO4凝胶电解质后在不同拉伸频率下进行测试，实测电压数据图请参阅图4。
实施例3
采用静电纺丝制备的PVA/PEDOT:PSS/DMSO导电聚合物纤维为原材料，参照图1，取一定长度聚合物纤维一端系于旋转电机，一端悬挂重物以施加一定应力，在60r/min的速度下加捻直至完全形成螺旋结构(a)，制备螺旋状导电纤维(b)，捻度大约为18000r/m。将两根银丝分别与导电纤维两端相连作为电极，与万用表或数据采集卡相连，将银丝与导电纤维相接处用环氧树脂热封绝缘以避免银丝和导电纤维之间在电解质中产生接触腐蚀影响实验准确性，然后将调配好的凝胶电解质涂覆包裹在导电螺旋纤维上(c)。测试时将螺旋导电纤维一端固定，循环拉伸另一端，即可在螺旋导电纤维两端产生电压信号，信号可以通过数字万用表或者是数据采集卡收集记录。
本案发明人对上述步骤制备的压电化学纤维涂覆PVA/H2SO4凝胶电解质后在不同拉伸频率下进行测试，实测电压数据图请参阅图5。
实施例4
采用溶液纺丝制备的高弹石墨烯/PEDOT:PSS复合纤维为原材料，参照图1，取一定长度聚合物纤维一端系于旋转电机，一端悬挂重物以施加一定应力，在300r/min的速度下加捻直至完全形成螺旋结构(a)，制备螺旋状导电纤维(b)，捻度大约为15000r/m。将两根银丝分别与纤维两端相连作为电极，与万用表或数据采集卡相连，将银丝与导电纤维相接处用环氧树脂热封绝缘以避免银丝和导电纤维之间在电解质中产生接触腐蚀影响实验准确性，然后将调配好的凝胶电解质涂覆包裹在导电螺旋纤维上(c)。测试时将螺旋导电纤维一端固定，循环拉伸另一端，即可在螺旋导电纤维两端产生电压信号，信号可以通过数字万用表或者是数据采集卡收集记录。
本案发明人对上述步骤制备的压电化学纤维涂覆PVA/H2SO4凝胶电解质后在不同拉伸频率下进行测试，实测电压数据图请参阅图6。
藉由以上实施例，本发明原创性的发现了材料表面与电解质接触界面处新的相互作用现象，制备过程简单，直接在大比表面积导电纤维表面涂覆一层凝胶电解质即可实现，且为单电极体系，无需额外借助对电极或参比电极来实现电压差的输出；并且，本发明的压电化学纤维经过简单封装后即可实现各种环境下的应用，可应用于制备结构简单、无需其他额外装置辅助、应用面广的柔性纳米发电机或自供能传感器等领域。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。
Claims (25)
1.一种压电化学纤维，其特征在于包括由导电纤维形成的可拉伸结构，且所述可拉伸结构表面覆盖有凝胶电解质；所述压电化学纤维在被施加机械刺激时，两端会产生电势差，从而能够输出电压信号。
2.根据权利要求1所述的压电化学纤维，其特征在于：所述可拉伸结构由弹性导电纤维形成。
3.根据权利要求1所述的压电化学纤维，其特征在于：所述可拉伸结构包括由导电纤维形成的单螺旋、双螺旋或多螺旋结构。
4.根据权利要求3所述的压电化学纤维，其特征在于：所述可拉伸结构包括对拉伸状态下的导电纤维进行加捻而形成的螺旋结构。
5.根据权利要求3所述的压电化学纤维，其特征在于：所述可拉伸结构包括由具有单螺旋结构的导电纤维自绞合合股形成的双螺旋结构，所述单螺旋结构是对拉伸状态下的导电纤维进行加捻而形成。
6.根据权利要求1所述的压电化学纤维，其特征在于：所述可拉伸结构包括由导电纤维形成的弹簧结构。
7.根据权利要求1所述的压电化学纤维，其特征在于：所述机械刺激包括不对称拉伸、扭转、弯折中的任意一种或多种的组合。
8.根据权利要求1所述的压电化学纤维，其特征在于：所述压电化学纤维的比表面积大于100m2/g、力学强度大于150MPa。
9.根据权利要求1所述的压电化学纤维，其特征在于：所述导电纤维包括碳纳米管纤维、石墨烯纤维、导电聚合物纤维、碳材料/聚合物复合纤维中的任意一种或两种以上的组合。
10.一种压电化学纤维的制备方法，其特征在于包括：
提供具有大比表面积、可拉伸变形的导电纤维；
使凝胶电解质与所述导电纤维的表面接触，获得压电化学纤维，所述压电化学纤维在被施加机械刺激时，两端会产生电势差，从而能够输出电压信号。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述导电纤维能够形成可拉伸结构；和/或，所述导电纤维的比表面积大于100m2/g，优选大于120m2/g，拉伸强度大于150MPa。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述可拉伸结构包括由导电纤维形成的单螺旋、双螺旋或多螺旋结构。
13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述导电纤维包括弹性导电纤维或者非弹性导电纤维，优选包括碳纳米管纤维、石墨烯纤维、导电聚合物纤维、碳材料/聚合物复合纤维中的任意一种或两种以上的组合。
14.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于包括：在拉伸状态下，对所述导电纤维进行加捻处理，得到螺旋状导电纤维。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：所述加捻处理采用的速度为60～300r/min；和/或，所述螺旋状导电纤维的捻度为15000～30000r/m。
16.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于还包括：使所述螺旋状导电纤维自合股，形成双螺旋结构导电纤维。
17.根据权利要求11所述的压电化学纤维，其特征在于：所述可拉伸结构包括由导电纤维形成的弹簧结构。
18.根据权利要求1或10所述的制备方法，其特征在于包括：将凝胶电解质涂覆包裹于所述可拉伸结构表面，获得所述压电化学纤维。
19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于：所述凝胶电解质包括PVA基凝胶电解质，其中电解质包括酸、碱或氯化盐；优选的，所述酸包括H2SO4，所述碱包括KOH，所述盐包括氯化盐。
20.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述机械刺激包括不对称拉伸、扭转、弯折中的任意一种或多种的组合。
21.由权利要求10-20中任一项所述方法制备的压电化学纤维。
22.权利要求1-9、21中任一项所述压电化学纤维于制备柔性纳米发电机或自供能传感器中的应用。
23.一种能量转换机构，其特征在于包括权利要求1-9、21中任一项所述的压电化学纤维。
24.根据权利要求23所述的能量转换机构，其特征在于：所述压电化学纤维的两端还分别连接有电极；和/或，所述可拉伸结构的两端分别与一电极绝缘密封连接。
25.一种能量转换方法，其特征在于包括：
提供权利要求1-9、21中任一项所述的压电化学纤维；以及
对所述压电化学纤维施加机械刺激，使所述压电化学纤维两端产生电势差，并输出电压信号，实现机械能向电能的转换。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010257817.2A CN113497178A (zh) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | 一种压电化学纤维、其制备方法及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010257817.2A CN113497178A (zh) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | 一种压电化学纤维、其制备方法及应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113497178A true CN113497178A (zh) | 2021-10-12 |
Family
ID=77994600
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010257817.2A Pending CN113497178A (zh) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | 一种压电化学纤维、其制备方法及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113497178A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170022111A (ko) * | 2015-08-19 | 2017-03-02 | 한양대학교 산학협력단 | 전기화학적 반응성 액추에이터, 브레이드 구조의 액추에이터 및 메쉬구조의 액추에이터 |
| KR20180029019A (ko) * | 2018-03-08 | 2018-03-19 | 울산과학기술원 | 경사 기반 마찰발전기 |
| WO2019032217A2 (en) * | 2017-06-28 | 2019-02-14 | Board Of Regents, The University Of Texas System | SPIRAL AND TWISTED NANOFIBER YARNS FOR RECOVERING ELECTRICAL ELECTRICAL ENERGY FROM MECHANICAL DEFORMATION |
| CN110379642A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-10-25 | 河北科技大学 | 一种可拉伸纳米纤维、其应用、包含其的可拉伸电容器电极及制备方法 |
| KR20200015222A (ko) * | 2018-08-03 | 2020-02-12 | 한양대학교 산학협력단 | 그래핀/탄소나노튜브 복합 섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전기화학적 인공 근육 |
-
2020
- 2020-04-03 CN CN202010257817.2A patent/CN113497178A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170022111A (ko) * | 2015-08-19 | 2017-03-02 | 한양대학교 산학협력단 | 전기화학적 반응성 액추에이터, 브레이드 구조의 액추에이터 및 메쉬구조의 액추에이터 |
| WO2019032217A2 (en) * | 2017-06-28 | 2019-02-14 | Board Of Regents, The University Of Texas System | SPIRAL AND TWISTED NANOFIBER YARNS FOR RECOVERING ELECTRICAL ELECTRICAL ENERGY FROM MECHANICAL DEFORMATION |
| KR20180029019A (ko) * | 2018-03-08 | 2018-03-19 | 울산과학기술원 | 경사 기반 마찰발전기 |
| KR20200015222A (ko) * | 2018-08-03 | 2020-02-12 | 한양대학교 산학협력단 | 그래핀/탄소나노튜브 복합 섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전기화학적 인공 근육 |
| CN110379642A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-10-25 | 河北科技大学 | 一种可拉伸纳米纤维、其应用、包含其的可拉伸电容器电极及制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shankaregowda et al. | Single-electrode triboelectric nanogenerator based on economical graphite coated paper for harvesting waste environmental energy | |
| Jang et al. | Carbon nanotube yarn for fiber‐shaped electrical sensors, actuators, and energy storage for smart systems | |
| Liu et al. | Promoting smart cities into the 5G era with multi-field Internet of Things (IoT) applications powered with advanced mechanical energy harvesters | |
| Chen et al. | Recent advances in fiber supercapacitors: materials, device configurations, and applications | |
| Wang et al. | A flexible fiber‐based supercapacitor–triboelectric‐nanogenerator power system for wearable electronics | |
| Rui et al. | High-performance cylindrical pendulum shaped triboelectric nanogenerators driven by water wave energy for full-automatic and self-powered wireless hydrological monitoring system | |
| Ye et al. | A triboelectric–electromagnetic hybrid nanogenerator with broadband working range for wind energy harvesting and a self-powered wind speed sensor | |
| Sun et al. | Recent progress of fiber-shaped asymmetric supercapacitors | |
| Liu et al. | Nanowrinkle-patterned flexible woven triboelectric nanogenerator toward self-powered wearable electronics | |
| Zhang et al. | Recent advances in functional fiber electronics | |
| Xiao et al. | High‐strain sensors based on ZnO nanowire/polystyrene hybridized flexible films | |
| Shang et al. | Self-stretchable, helical carbon nanotube yarn supercapacitors with stable performance under extreme deformation conditions | |
| Zhang et al. | Ultra-endurance coaxial-fiber stretchable sensing systems fully powered by sunlight | |
| Ren et al. | Recent progress and application challenges of wearable supercapacitors | |
| Wang et al. | High-performance flexible self-powered strain sensor based on carbon nanotube/ZnSe/CoSe 2 nanocomposite film electrodes | |
| Rahman et al. | Ultra-robust and broadband rotary hybridized nanogenerator for self-sustained smart-farming applications | |
| Liu et al. | Soft tubular triboelectric nanogenerator for biomechanical energy harvesting | |
| Xia et al. | Transparent and stretchable high-output triboelectric nanogenerator for high-efficiency self-charging energy storage systems | |
| WO2021237908A1 (zh) | 柔性混合发电机及制备方法与应用、柔性自充电装置 | |
| Teng et al. | A solar and thermal multi-sensing microfiber supercapacitor with intelligent self-conditioned capacitance and body temperature monitoring | |
| Ma et al. | Wearable supercapacitors based on conductive cotton yarns | |
| Ouyang et al. | Copper particles-PTFE tube based triboelectric nanogenerator for wave energy harvesting | |
| Hao et al. | All-electrospun performance-enhanced triboelectric nanogenerator based on the charge-storage process | |
| Sarkar et al. | Development of a sustainable and biodegradable sonchus asper cotton pappus based piezoelectric nanogenerator for instrument vibration and human body motion sensing with mechanical energy harvesting applications | |
| Wu et al. | A stretchable and helically structured fiber nanogenerator for multifunctional electronic textiles |
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 |