CN113699799A

CN113699799A - 一种防水耐腐蚀发电农用布及其制备方法

Info

Publication number: CN113699799A
Application number: CN202110796524.6A
Authority: CN
Inventors: 平建峰; 张琪; 孙源; 应义斌
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2041-07-14
Also published as: CN113699799B

Abstract

本发明公开了一种疏水耐腐蚀发电农用布及其制备方法。利用聚酰亚胺纤维编织成农用布；在农用布的一侧表面通过激光诱导处理，将表面碳化形成连续多孔的单层碳原子层，从而形成石墨烯电极；在石墨烯电极所在一侧的农用布表面旋涂PDMS混合溶液，PDMS混合溶液覆盖石墨烯电极，但保留一段石墨烯电极不旋涂PDMS混合溶液作为电极接出端，电极接出端用于接地，构建成了摩擦纳米发电的农用布。本发明的农用布具备疏水且耐腐蚀的特性，能很好地收集农业环境中丰富的雨水能。

Description

一种防水耐腐蚀发电农用布及其制备方法

技术领域

本发明涉及了一种发电农用布及其制备方法，尤其是涉及了一种防水耐腐蚀发电农用布及其制备方法。

背景技术

农业生产过程中，为了达到保温、保湿、遮阳、防虫、除草、增产等目的，各类农业生产资料被广泛使用，其中，农用布的使用量最为广泛。常见的农用布包括：地膜、除草布、育秧布、灌溉布、丰收布、保温布、水果套袋、防虫网、遮阳网等，这些农用布遍布农业生产的各个环节，对于促进增产具有重要意义。大多数农用布是使用纺织纤维编织而成，通过不同的纤维材料和编织方式，制成具有不同透光率、厚度和用途的农用布。自然界的各类水资源贯穿使用于农业生产环节中，它主要包括天然降雨和通过水利工程设施为农业所利用的地表水及地下水，它们是农业生产发展的基础资源，对农作物的生长发育至关重要。当在生产过程中使用了农用布时，这些天然降雨或者灌溉用水都会与它们直接接触，因此对于铺设于地表的地膜、作物保温的保温膜和水果的套袋等农用布而言，除了基本功能之外他们还需要防水、防冰、耐腐蚀，这样才能最大程度的提高农产品的质量和产量，减少损害和损失。

随着农业物联网的飞速发展，农业生产也逐渐朝着智能化的方向前进，智慧农业的实现，少不了对各类农业信息的获取，以便采取及时的调整措施，创造更有利于作物生长的农业环境。农业信息的感知多是依靠各类传感器来构建传感网络，以获取温湿度、土壤酸碱度、光照强度、二氧化碳浓度等信息。想要驱动这样的传感网络，电力驱动是一大核心问题以及难点，因为现如今各类不可再生的传统能源日益枯竭，电池这一类供能设备续航能力有限且不易更换，对环境造成严重负担，田间电路的铺设不仅过程繁琐且后期维护的费用高费，并一旦铺设就不能随时变化，灵活性、便捷性和安全性等方面存在诸多不足。自2012年以来，摩擦纳米发电机的出现，给绿色、环保且可持续能源的开发提供了新的思路。利用摩擦起电和静电感应的原理，它能够有效地收集环境中的随机微能量，包括农业环境中常见的雨水能、风能、生产劳动的机械能等等，并且摩擦纳米发电机结构简单、成本低、发电效率高，可以说是一种新的利用农业环境中丰富能源的有效手段，为农业信息的获取提供源源不断地电力支持。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种防水耐腐蚀发电农用布及其制备方法。

本发明利用具备耐腐蚀性能的聚酰亚胺纤维，将其编织成农业生产所用的农用布，通过激光诱导石墨烯构建单电极，经聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装，表面激光处理获得粗糙微结构后，获得疏水特性，基于此构建摩擦纳米发电机，用于收集农业环境中丰富的雨水能。

本发明所采用的技术方案是：

1)耐腐蚀农用布制备：利用聚酰亚胺纤维编织成农用布；

2)疏水耐腐蚀农用布基摩擦纳米发电机制备：

在由聚亚酰胺纤维编织成的农用布的一侧表面通过激光诱导处理，将表面碳化形成连续多孔的单层碳原子层，从而形成石墨烯电极；

3)在石墨烯电极所在一侧的农用布表面旋涂PDMS混合溶液，PDMS混合溶液覆盖石墨烯电极，但保留一段石墨烯电极不旋涂PDMS混合溶液作为电极接出端，电极接出端用于接地，构建成了单电极工作模式下的摩擦纳米发电的农用布。

本发明在制备了激光诱导生成石墨烯后的农用布之后，要构建基于此农用布的摩擦纳米发电机，除了已经有石墨烯作为摩擦纳米发电机的电极结构之外，还需要构建一层摩擦得电子层，即具有摩擦电负性的摩擦层，这样才能构建基于单电极模式的摩擦纳米发电机，并且若该摩擦层具有很好的疏水特性的话，将会大大提升该摩擦纳米发电机的输出，还会有助于延长该农用布的使用寿命，因为疏水性对于复杂的农业环境来说是非常有帮助的。

所述的摩擦纳米发电机为单电极工作模式下的摩擦纳米发电机。

单电极工作模式的工作过程具体为：摩擦纳米发电机仅需要一个电极组件，当其摩擦层表面与另一种电负性不同的材料接触时，电极与摩擦层表面都会带上符号相反的等量电荷，当接触材料与之分离时，电极与地电极之间存在的电势差会驱动电子流经外电路从而产生电流；同理，当二者再次接触时，电子被驱使经过外电路流回原来的电极，即产生了一个反方向的电流。如此循环往复，在接触-分离的过程中，产生不断地电输出。

所述1)中的具体编织方式采用平织、三针、两针、六针、绞织等多种，不同编制方式所得到的农用布的厚度、透光性、透气性等指标不同，可满足不同需求。

优选地，采用平织的方式将其织成农用布，织就的农用布面密度约100g/cm²，厚度约为0.2mm。

所述2)中，通过激光诱导处理将农用布表面碳化形成具有微结构的单层碳原子层，所述的微结构为层层堆叠的二维石墨烯结构。

优选地，采用垂直距离为7.5cm，扫描速度为38cm/s，输出功率5W的激光对农用布表面进行处理，诱导生成得到图案化的石墨烯电极。具体图案为边长为5cm的正方形，并且在正方形的一边出延伸出1cm*3cm的一段，作为电极接出端。

所述2)中，PDMS混合溶液是由PDMS和固化剂按质量配比10：1的比例组成。

所述2)中，将旋涂PDMS混合溶液后的农用布置于80℃温度的烘箱中2小时以固化PDMS，在农用布表面形成PDMS膜，使其具备疏水特性。

进一步通过激光刻蚀的方法，采用垂直距离为7.5cm，扫描速度为6.4cm/s，输出功率为2W的激光对PDMS膜表面进行处理，使表面获得粗糙的微结构，以增强其疏水性。

在未布置石墨烯电极所在一侧的农用布表面作为农用布的基底，贴附到所需收集能量表面。

具体实施中，所述的发电农用布固定布置在带孔的亚克力板上构成用于收集雨滴能的摩擦纳米发电农用布，雨滴流经发电农用布后从亚克力板上的孔中落下避免雨滴停留在农用布上。并且用滴管滴水模拟下雨的场景，用于雨滴能的收集。

当雨水滴落接触农用布过程中，由于雨水带正电，接触过程中雨水会失去电子而带正电，农用布表面的PDMS得电子而带负电，二者之间发生了电子转移过程，局部电场发生改变，产生局部的电势差，这样电极部分和大地之间会发生电子流动，目的是平衡电极上的电势变化，在这个过程中产生了电输出。

并且由于农用布表面旋涂了PDMS，并进一步经过激光刻蚀处理赋予表面粗糙微结构之后，获得了疏水特性，更有利于雨水接触到农用布表面后快速地滑落，对于电子转移过程有促进作用，增强了摩擦纳米发电的输出特性。

本发明与现有技术相比，本发明所制备的农用布具备疏水且耐腐蚀的特性，并且将摩擦纳米发电机技术结合到了农用布中，由此制得的疏水耐腐蚀农用布基摩擦纳米发电机可以很好地收集农业环境中丰富的雨水能。

附图说明

图1是本发明中用聚酰亚胺纤维通过平织法织就的农用布及其表面的激光诱导石墨烯；

图2是原始农用布激光诱导石墨烯扫描电镜(SEM)图(A)，pH＝1酸性溶液浸泡24后的农用布激光诱导石墨烯SEM图(B)，pH＝14碱性溶液浸泡24后的农用布激光诱导石墨烯SEM图(C)；

图3是原始农用布激光诱导石墨烯拉曼光谱(Raman)图(A)，pH＝1酸性溶液浸泡24后的农用布激光诱导石墨烯Raman图(B)，pH＝14碱性溶液浸泡24后的农用布激光诱导石墨烯Raman图(C)，三种情况对比图(D)；

图4是激光刻蚀处理后的PDMS膜SEM图；

图5是未激光刻蚀的PDMS膜的水滴静态接触角(A)，激光刻蚀后的PDMS膜的水滴静态接触角(B)，pH＝1酸性溶液浸泡24后激光刻蚀后的PDMS膜水滴静态接触角(C)，pH＝14碱性溶液浸泡24后激光刻蚀后的PDMS膜水滴静态接触角碱(D)；

图6是单电极式摩擦纳米发电机工作原理图；

图7是疏水耐腐蚀农用布基摩擦纳米发电机收集不同雨量雨水能的输出性能(A)，以及与分别在pH＝1酸性溶液(B)和pH＝14碱性溶液(C)中浸泡24h后的输出性能对比图。

图8是疏水耐腐蚀农用布基摩擦纳米发电机收集不同高度雨水能的输出性能(A)，以及与分别在pH＝1酸性溶液(B)和pH＝14碱性溶液(C)中浸泡24h后的输出性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明的具体实施实例如下：

实施例1

首先是耐腐蚀农用布制备，将耐腐蚀的聚酰亚胺纤维，通过平织的方式织成农用布，最终织就的农用布面密度约100g/cm²，厚度约为0.2mm。

接着将农用布裁剪成所需尺寸固定在模具上，采用垂直距离为7.5cm，扫描速度为38cm/s，输出功率5W的激光对农用布表面进行处理，将其表面碳化形成连续多孔的单层碳原子层，诱导生成得到图案化的石墨烯电极。具体图案为边长为5cm的正方形，并且在正方形的一边出延伸出1cm*3cm的一段，作为电极接出端。从图1可以明显看出激光诱导形成的石墨烯电极部分和未激光处理的农用布的对比，不难发现，激光诱导处理之后，农用布没有发生明显的改变，未出现被激光烧穿的现象。

最后在上述获得激光诱导处理的农用布上石墨烯电极所在一侧的农用布表面旋涂PDMS混合溶液(配方为：PDMS和固化剂按质量配比10：1的比例组成)，溶液覆盖石墨烯电极，但实例1中所述的电极接出端不旋涂PDMS，其作用是接地，旋涂后的农用布置于80℃温度的烘箱中2小时以固化PDMS，在农用布表面形成PDMS膜，为了进一步增强PDMS的疏水性以提高所构建的摩擦纳米发电机的电输出性能，继续通过激光刻蚀的方法，采用垂直距离为7.5cm，扫描速度为6.4cm/s，输出功率为2W的激光对PDMS膜表面进行处理，使表面获得粗糙的微结构，增强了疏水性。最后，基于此构建了单电极工作模式下的疏水耐腐蚀农用布基摩擦纳米发电机。

测试1：

接下来，将上述制备的经过激光诱导生成石墨烯后的农用布分别浸泡在pH＝1的盐酸溶液和pH＝14的氢氧化钠溶液中24h，取出后与未经过酸碱腐蚀处理的农用布进行对比。首先从图2中可以看出，图2A中未处理农用布的激光诱导石墨烯SEM图可以明显看出层层堆叠的结构，说明此时通过激光处理之后，农用布表面成果生成了石墨烯结构。图2B和2C分别为酸碱浸泡之后的SEM图，从图中也可以明显看出，石墨烯的层层堆叠结构并没有发生明显变化，说明强酸或强碱性物质并不会对该经过激光诱导生成石墨烯后的农用布上的石墨烯结构造成破坏。

除了从SEM图中可以证明这一点之外，从图3的拉曼表征结果也可以证明上述结论。其中图3A是未处理农用布的激光诱导石墨烯的Raman光谱图，图中由明显的D、G、2D峰，其中G峰是石墨烯的主要特征峰，是由sp²碳原子的面内振动引起的，它出现在1580cm^-1附近，该峰能有效反映石墨烯的层数，D峰(1350cm^-1)是石墨烯的无序振动峰，该峰用于表征石墨烯样品中的结构缺陷或边缘，2D峰(2700cm^-1)是双声子共振二阶拉曼峰，用于表征石墨烯样品中碳原子的层间堆垛方式。从图3B、C中可以看出，分别经过酸碱浸泡之后石墨烯Raman光谱未发生明显变化，图3D的三种情况对比图也能直观看出彼此之间变化不是很明显。

综合上述SEM和Raman表征可知，该经过激光诱导生成石墨烯后的农用布即使受到环境中酸性或碱性物质的威胁，其表面的石墨烯结构也不会发生明显改变，说明本制备工艺所获得的农用布具有良好的稳定性，所制备的激光诱导石墨烯农用布具有很好的耐腐蚀性能。

测试2：

接下来对表面覆盖了PDMS的激光诱导石墨烯农用布的疏水性能进行表征，并且同样进行了酸碱性溶液浸泡24h后的对比。首先是激光刻蚀处理后的PDMS膜的SEM图，从图4中可以明显看到凸起的粗糙微结构，这些粗糙的微结构有利于其疏水性的增强。由图5A可以看出，未激光刻蚀处理农用布表面PDMS膜的水滴静态接触角达到了仅在115°左右，疏水性能相对来说不具有优势，图5B为经过激光刻蚀处理后的农用布表面PDMS膜的水滴静态接触角，可以看出，其接触角值达到了156°，表现出优异的疏水性能。图5C和5D分别为酸碱浸泡之后的农用布表面PDMS膜水滴静态接触角，从图中也可以看出接触角仍在150°以上。综上所述，旋涂PDMS并经过激光刻蚀处理之后的后的农用布表面具有较好的疏水性。

测试3：

接着对上述疏水耐腐蚀农用布基摩擦纳米发电机性能进行表征。

首先是该单电极模式的摩擦纳米发电机的工作原理，如图6所示所构建的摩擦纳米发电机仅需要一个电极组件，当其表面PDMS层与水滴接触时，电极与PDMS层由于得电子带负电，而水滴由于失电子而带正电；当水滴流走后，电极与地电极之间存在的电势差会驱动电子流经外电路从而产生电流；同理，当水滴与PDMS层再次接触时，电子被驱使经过外电路流回原来的电极，即产生了一个反方向的电流，如此循环往复，在接触-分离的过程中，产生不断地电输出。所构建的单电极式的摩擦纳米发电机，由于只需要一个电极组件，相比于其他工作模式的摩擦纳米发电机而言，这样的设计更见简单，易于制造，也很适合实际生活中的应用。

将所制备的疏水耐腐蚀农用布基摩擦纳米发电机固定在挖孔的亚克力板上，其中未涂覆PDMS的石墨烯导电端接地，用滴管滴水模拟下雨的场景，用于不同雨量以及不同高度的雨滴能收集的验证，其中同时进行了三组对比试验，即所用的疏水耐腐蚀农用布类型分别为未酸碱溶液浸泡处理、pH＝1酸性溶液浸泡24h处理、pH＝14碱性溶液浸泡24h处理。

结果由图7中可以看出，在不同的雨量下(水滴出口距摩擦纳米发电机高度固定为20cm)，三种农用布基摩擦纳米发电机均产生持续的电信号，说明了该农用布基摩擦纳米发电机对农业环境中的雨水能具有很好的收集能力，同时对比三种农用布所产生的电信号，发现即使酸碱溶液浸泡后的农用布基摩擦纳米发电机的电信号仍没有显著降低，表明了具有疏水耐腐蚀性的农用布即使接触农业环境中各种潜在的强酸碱物质，仍然具有很好的耐腐蚀能力以及对雨水能的收集能力，最高输出电压达到了约25V，相比于传统的单电极模式的摩擦纳米发电机而言，其输出性能还是非常优异的。能够高效收集农业环境中的雨水能，以产生持续不断的电输出，并且还能抵御复杂环境中酸性或碱性物质对它们的威胁。

此外由图8可以看出，在不同高度下(雨量固定为8mL/s)，三种农用布基摩擦纳米发电机同样能产生持续的电输出，并且随着高度的上升，输出电压逐渐增大，说明了该农用布基摩擦纳米发电机对来自高空中雨水能具有很好的收集能力，同时对比三种农用布所产生的电信号，发现即使酸碱溶液浸泡后的农用布基摩擦纳米发电机的电信号同样没有显著降低，最高输出电压达到了约50V，该农用布基摩擦纳米发电机表现出优异的雨滴能收集能力。

综上所述，本发明利用具备耐腐蚀性能的聚酰亚胺纤维，将其编织成农业生产用的农用布，通过激光诱导技术直接使农用布表面碳化，操作简单高效，易于在表面形成层层堆叠的二维石墨烯结构，作为摩擦纳米发电机的电极结构；接着利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对其进行封装，同时仍采用激光刻蚀处理表面的PDMS膜，使其获得了粗糙微结构后，大大增强疏水特性，基于此作为摩擦得电子层材料构建单电极模式的摩擦纳米发电机，可以集成到农用布当中，用于收集农业环境中丰富的雨水能。经过表征结果可知，该摩擦纳米发电机具备优异的耐酸碱腐蚀能力，对复杂的农业环境变化能很好的适应，并且最高输出达到了50V左右，这在单电极模式的摩擦纳米发电机的输出性能中，是一个显著提升。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种疏水耐腐蚀发电农用布，其特征在于：

1)耐腐蚀农用布制备：利用聚酰亚胺纤维编织成农用布；

2)疏水耐腐蚀农用布基摩擦纳米发电机制备：在农用布的一侧表面通过激光诱导处理，将表面碳化形成连续多孔的单层碳原子层，从而形成石墨烯电极；

3)在石墨烯电极所在一侧的农用布表面旋涂PDMS混合溶液，PDMS混合溶液覆盖石墨烯电极，但保留一段石墨烯电极不旋涂PDMS混合溶液作为电极接出端，电极接出端用于接地，构建成了摩擦纳米发电的农用布。

2.根据权利要求1所述的一种疏水耐腐蚀发电农用布，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种疏水耐腐蚀发电农用布，其特征在于：

所述1)中的具体编织方式采用平织、三针、两针、六针、绞织等多种。

4.根据权利要求1所述的一种疏水耐腐蚀发电农用布，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的一种疏水耐腐蚀发电农用布，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种疏水耐腐蚀发电农用布，其特征在于：

所述2)中，将旋涂PDMS混合溶液后的农用布置于80℃温度的烘箱中2小时以固化PDMS，在农用布表面形成PDMS膜。

7.根据权利要求1所述的一种疏水耐腐蚀发电农用布，其特征在于：

所述的发电农用布置在带孔的亚克力板上构成用于收集雨滴能的摩擦纳米发电农用布。