CN114106639A - 一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料及其应用，其中高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料包括摩擦起电的高分子材料和均匀掺杂于所述高分子材料中具有压电性和润滑性的无机材料颗粒，所述无机材料颗粒为层状无机材料经溶剂插层剥离后制备的单层与少层混合的层状结构。本发明在传统的高分子摩擦材料中掺杂附着了具有压电性能和润滑性能的无机材料颗粒，使得制备出的电材料具有优异的耐磨性，同时具有有机材料和无机材料单独使用时不具有的电荷辅助捕获能力，极大提升了材料的表面电荷摩擦电荷密度。

Description

一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料及其应用
技术领域
本发明涉及摩擦起电材料和摩擦纳米发电机，具体涉及一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料及其应用。
背景技术
自工业革命以来，内燃机的发明及使用推动了全球经济体迅猛发展，传统一次性化石能源如石油、煤炭、天然气等得到广泛的开发和利用。但随着世界人口数量持续增加，世界经济体的快速发展，人类对能源的需求量不断增加。为了解决上述的能源危机，发展更为清洁环保的可再生能源，新能源的开发和利用已迫在眉睫。太阳能、风能、海洋能等常见的可再生新能源在过去的几十年内得到快速的发展。与此同时，随着物联网的快速发展，在其感知层和应用层有耗能小但数量巨大的传感器节点，传统的用电池或外接电源的供能方式因更换成本高、需大量电线网格等不足已无法满足未来发展需要，摩擦纳米发电机可收集环境中无处不在的低频、无规则的微小机械能并将其转化为电能，为数量巨大的传感器其提供了一种可行的能量供给方式。然而摩擦纳米发电机尚存在输出性能较低、寿命短等问题，因此开发高摩擦电荷密度、高耐磨性的摩擦电材料对摩擦纳米发电机的提高性能和延长寿命至关重要。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可用于高输出、长寿命的摩擦纳米发电机的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料及其应用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料，包括摩擦起电的高分子材料和均匀掺杂于所述高分子材料中具有压电性和润滑性的无机材料颗粒，所述无机材料颗粒为层状无机材料经溶剂插层剥离后制备的单层与少层混合的层状结构。
进一步地，所述无机材料颗粒占高分子材料的1-3.5wt％。
进一步地，所述无机材料颗粒的粒径小于2μm。
进一步地，所述高分子材料为聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚丙烯腈、聚氯醚、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物中的一种或任意几种的组合。
进一步地，所述层状无机材料为二硫化钼、二硫化钨、MXene、石墨、石墨烯或氮化硼中的一种或任意几种的组合。
本发明还涉及上述高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料在摩擦纳米发电机中的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
1、本发明在传统的高分子摩擦材料中掺杂附着了具有压电性能和润滑性能的单层与少层混合的层状无机材料颗粒，这类无机材料不仅奇数层有良好的压电性，而且试验发现在摩擦起电过程中单层与少层混合的层状无机材料颗粒与高分子材料结合可展现出较强的电子捕获能力，这使得复合后的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料具有了高分子材料和层状无机材料单独作为摩擦电材料时所不具有的高电荷捕获能力，极大提升了材料的表面电荷摩擦电荷密度。因此本发明制备的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料相比于传统的高分子摩擦材料，在改善材料介电性的同时可捕获电荷，不仅提高了材料摩擦电荷密度，而且延长了材料的耐磨损性能。
2、将本发明涉及的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料应用于摩擦纳米发电机，可制备出高输出、长寿命的摩擦纳米发电机，延长摩擦纳米发电机的使用周期。
附图说明
图1为本发明涉及的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料的结构示意图；
图2为本发明涉及的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料的摩擦磨损示意图；
图3为本发明涉及的摩擦纳米发电机的结构示意图；
图4为对比例所涉及的摩擦纳米发电机工作时的输出电压图；
图5为对比例所涉及的摩擦纳米发电机工作时的输出电流图；
图6为应用例1所涉及的摩擦纳米发电机工作时的输出电压图；
图7为应用例1所涉及的摩擦纳米发电机工作时的输出电流图；
图8为应用例2所涉及的摩擦纳米发电机工作时的输出电压图；
图9为应用例2所涉及的摩擦纳米发电机工作时的输出电流图；
图10为应用例2所涉及的纯聚氯乙烯膜与聚氯乙烯/二硫化钼复合膜的摩擦系数曲线图；
图11为应用例3所涉及的摩擦纳米发电机工作时的输出电压图；
图12为应用例3所涉及的摩擦纳米发电机工作时的输出电流图；
图13为不同二硫化钼掺杂比例下摩擦纳米发电机的输出电压及电流的变化曲线图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。
本实施例提供一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料，其结构如图1所示，包括摩擦起电的高分子材料101和均匀掺杂于所述高分子材料101中具有压电性和润滑性的无机材料颗粒102，所述无机材料颗粒102为层状无机材料经溶剂插层剥离后制备的单层与少层混合的层状结构。
优选的，所述无机材料颗粒102占高分子材料101的1-3.5wt％；更为优选的，所述无机材料颗粒102占高分子材料101的2.5wt％。无机材料颗粒102含量过高，影响材料的摩擦性能，含量过低则会降低其耐磨性能。
优选的，所述无机材料颗粒102的粒径小于2μm。
优选的，所述高分子材料101为聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚丙烯腈、聚氯醚、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物中的一种或任意几种的组合；更为优选的，所述高分子材料101为聚氯乙烯。
优选的，所述层状无机材料为二硫化钼、二硫化钨、MXene、石墨、石墨烯或氮化硼中的一种或任意几种的组合；更为优选的，所述层状无机材料为二硫化钼或石墨烯。
本发明提供的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料是摩擦起电性的材料，在摩擦过程中不同电负性的材料之间发生电荷的转移，本发明涉及的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料可以作为摩擦后容易得到电子的材料。
本发明所涉及的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料可通过静电纺丝法、熔融拉伸法、旋涂法、单向拉伸法或者双向拉伸法制备成薄膜进行应用。
图2为本发明所涉及的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料的摩擦磨损示意图；试验发现，当对摩擦材料202与高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料201在摩擦磨损试验机203上进行滚动摩擦时，具有压电性和润滑性的无机材料颗粒102会在接触表面形成一层润滑转移膜，减小粘着磨损。
本发明还涉及高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料在摩擦纳米发电机中的应用；其中，所述摩擦纳米发电机可以是各种结构的摩擦纳米发电机，如接触分离式、滑动式、自由摩擦层方式或感应式，另外，还可以是风能驱动的摩擦纳米发电机(接触分离模式)，可长期稳定的进行发电。
首先，本发明提供一种摩擦纳米发电机如图3所示，包括位于中部的第一摩擦起电性部件305和设置于第一摩擦起电性部件305上下两侧并通过垫片304隔开的第二摩擦起电性部件303，第二摩擦起电性部件303紧密贴合于金属片302的内侧，金属片302的外侧贴合有支撑物301。其中，金属片302可为铜、铝、不锈钢、钛等材质。应理解为高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料和普通摩擦材料一样可用于滑动式、旋转式等结构的所有摩擦纳米发电机中，并不限于本发明所提供的摩擦纳米发电机。本发明所提供的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料作为第二摩擦起电性部件303是摩擦后带负电的部件。
对比例
切割尺寸为120×10×5mm的长条形亚克力板作为支撑物301和尺寸为10×10×0.8mm的亚克力板作为垫片304，在支撑物301表面紧密粘贴厚度为0.5mm的铝片，并将垫片304紧密粘贴于铝片两端，然后将熔融态的聚氯乙烯旋涂在粘贴了垫片304的铝片上，得到聚氯乙烯膜，即第二摩擦起电性部件303，在两个涂覆了聚氯乙烯膜的铝片中间放置140×10×0.05mm的聚酰胺膜(第一摩擦起电性部件305)，最后用塑料螺丝将两端固定得到摩擦纳米发电机。
将本应用例制备的摩擦发电机放置于风速为17.7m/s的环境中，聚酰胺膜上下振动与聚氯乙烯膜周期性接触因摩擦电效应和静电感应产生电子的流动，摩擦纳米发电机输出电压为230V，电流为25μA，分别如图4、图5所示。
应用例1
切割尺寸为120×10×5mm的长条形亚克力板作为支撑物301和尺寸为10×10×0.8mm的亚克力板作为垫片304，在支撑物301表面紧密粘贴厚度为0.5mm的铝片，并将垫片304紧密粘贴于铝片两端，然后将掺杂了1wt％粒径小于2μm的二硫化钼颗粒(经溶剂插层剥离后制备的单层与少层混合的层状结构)的熔融态的聚氯乙烯旋涂在粘贴了垫片304的铝片上，得到聚氯乙烯/二硫化钼复合膜(高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料)，即第二摩擦起电性部件303，在两个涂覆了聚氯乙烯/二硫化钼复合膜的铝片中间放置140×10×0.05mm的聚酰胺膜(第一摩擦起电性部件305)，最后用塑料螺丝将两端固定得到摩擦纳米发电机。
将本应用例制备的摩擦发电机放置于风速为17.7m/s的环境中，聚酰胺膜上下振动与聚氯乙烯/二硫化钼复合膜周期性接触因摩擦电效应和静电感应产生电子的流动，摩擦纳米发电机输出电压为240V，电流为28μA，分别如图6、图7所示。
应用例2
切割尺寸为120×10×5mm的长条形亚克力板作为支撑物301和尺寸为10×10×0.8mm的亚克力板作为垫片304，在支撑物301表面紧密粘贴厚度为0.5mm的铝片，并将垫片304紧密粘贴于铝片两端，然后将掺杂了2.5wt％粒径小于2μm的二硫化钼颗粒(经溶剂插层剥离后制备的单层与少层混合的层状结构)的熔融态的聚氯乙烯旋涂在粘贴了垫片304的铝片上，得到聚氯乙烯/二硫化钼复合膜(高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料)，即第二摩擦起电性部件303，在两个涂覆了聚氯乙烯/二硫化钼复合膜的铝片中间放置140×10×0.05mm的聚酰胺膜(第一摩擦起电性部件305)，最后用塑料螺丝将两端固定得到摩擦纳米发电机。
将本应用例制备的摩擦发电机放置于风速为17.7m/s的环境中，聚酰胺膜上下振动与聚氯乙烯/二硫化钼复合膜周期性接触因摩擦电效应和静电感应产生电子的流动，摩擦纳米发电机输出电压为398V，电流为40μA，分别如图8、图9所示；可见，当高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料用于风能驱动的摩擦纳米发电机时能产生稳定的电信号输出。
如图10所示，由高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料(掺杂了2.5wt％二硫化钼的聚氯乙烯)制成的聚氯乙烯/二硫化钼复合膜相对于纯聚氯乙烯膜，其摩擦系数可降低19.4％。
应用例3
切割尺寸为120×10×5mm的长条形亚克力板作为支撑物301和尺寸为10×10×0.8mm的亚克力板作为垫片304，在支撑物301表面紧密粘贴厚度为0.5mm的铝片，并将垫片304紧密粘贴于铝片两端，然后将掺杂了3.5wt％粒径小于2μm的二硫化钼颗粒(经溶剂插层剥离后制备的单层与少层混合的层状结构)的熔融态的聚氯乙烯旋涂在粘贴了垫片304的铝片上，得到聚氯乙烯/二硫化钼复合膜(高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料)，即第二摩擦起电性部件303，在两个涂覆了聚氯乙烯/二硫化钼复合膜的铝片中间放置140×10×0.05mm的聚酰胺膜(第一摩擦起电性部件305)，最后用塑料螺丝将两端固定得到摩擦纳米发电机。
将本应用例制备的摩擦发电机放置于风速为17.7m/s的环境中，聚酰胺膜上下振动与聚氯乙烯/二硫化钼复合膜周期性接触因摩擦电效应和静电感应产生电子的流动，摩擦纳米发电机输出电压为330V，电流为30μA，分别如图11、图12所示。
对比对比例与应用例1、应用例2和应用例3可以发现，相比于无掺杂的聚氯乙烯膜，由掺杂二硫化钼颗粒后的聚氯乙烯/二硫化钼复合膜制备的摩擦纳米发电机，其输出的电信号明显更强更稳定。同样根据应用例1-3所述方法，改变二硫化钼颗粒的掺杂比例，测定不同掺杂比例下制备出的摩擦纳米发电机的输出电压及电流，结果如图13所示，由图可知，掺杂量为2.5wt％是最佳的掺杂比例，掺杂量过多二硫化钼颗粒会发生团聚，分散不均匀影响其输出电性能。
本发明中对比例与应用例均采用熔融的高分子材料101或掺杂了无机材料颗粒102的熔融态的高分子材料101进行旋涂制膜，需要说明的是本发明的制膜方式不仅限于此，只要能将高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料制备成所需的薄膜结构的方式均包含在本发明范围之内，例如还可将高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料溶于有机溶剂后，进行旋涂制膜。

Claims (6)

1.一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料，其特征在于，包括摩擦起电的高分子材料和均匀掺杂于所述高分子材料中具有压电性和润滑性的无机材料颗粒，所述无机材料颗粒为层状无机材料经溶剂插层剥离后制备的单层与少层混合的层状结构。
2.如权利要求1所述的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料，其特征在于，所述无机材料颗粒占高分子材料的1-3.5wt％。
3.如权利要求1所述的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料，其特征在于，所述无机材料颗粒的粒径小于2μm。
4.如权利要求1所述的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料，其特征在于，所述高分子材料为聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚丙烯腈、聚氯醚、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物中的一种或任意几种的组合。
5.如权利要求1所述的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料，其特征在于，所述层状无机材料为二硫化钼、二硫化钨、MXene、石墨、石墨烯或氮化硼中的一种或任意几种的组合。
6.权利要求1-5任一项所述的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料在摩擦纳米发电机中的应用。
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