CN114249916A - 一种高分子复合薄膜以及采用该薄膜的静电产生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分子复合薄膜,采用如下步骤进行制作:步骤A,将棉花进行清洗,去除棉花表面的蜡和杂质,将棉花溶于混合液中形成棉花溶液,混合溶液为氢氧化钠、尿素、硫脲以及水混合溶液,将纳米碳材超声波振荡分散于去离子水中形成分散液,将分散液加入棉花溶液中,在室温下搅拌2‑3小时,之后过滤形成中间复合膜,水洗至PH呈中性,进行干燥;步骤B,将步骤A制得的中间复合膜浸泡于吡咯溶液中0.5至1.5小时,取出后浸入FeCl3·6H2O水溶液,进行聚合反应1.5至2.5小时,形成成品复合膜,水洗中PH呈中性,再进行干燥。本发明还提出了该采用该薄膜的静电产生器,本发明用于正摩擦层制作的静电产生器,其具有良好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分子复合薄膜以及采用该薄膜的静电产生器。
背景技术
基于摩擦而产生静电,并将静电存储至电容器中,通过电容器为电元件供电的发电装置(或静电产生器)在现有技术中已有公开,例如用在鞋垫,利用行走时踩踏作用力进行发电,由于路况和踩踏力的不同,如何形成稳定的电能制约至这类发电装置能否大规模地应用,其中,用于产生静电的摩擦材料对电能稳定至关重要。
鉴于此,本案发明人对上述问题进行深入研究,遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能用于静电产生器、保证电能稳定性的高分子复合薄膜,本发明的另一目的在于提出采用该薄膜的静电产生器。
为了达到上述目的,本发明采用这样的技术方案:
一种高分子复合薄膜,采用如下步骤进行制作:
步骤A,将棉花进行清洗,去除棉花表面的蜡和杂质,将棉花溶于混合液中形成棉花溶液,混合溶液为氢氧化钠、尿素、硫脲以及水混合溶液,将纳米碳材超声波振荡分散于去离子水中形成分散液,将分散液加入棉花溶液中,在室温下搅拌2-3小时,之后过滤形成中间复合膜,水洗至PH呈中性,进行干燥;
步骤B,将步骤A制得的中间复合膜浸泡于吡咯溶液中0.5至1.5小时,取出后浸入FeCl3·6H2O水溶液,进行聚合反应1.5至2.5小时,形成成品复合膜,水洗中PH呈中性,再进行干燥。
作为本发明的优选方式,步骤A中,所述棉花的1-10克,将棉花置于0.077mol/L的亚氯酸钠水溶液(300mL),加入2ml醋酸(质量浓度为99%),在80℃反应3小时。
作为本发明的优选方式,步骤A中,纳米碳材在进行超声波振荡之前,将纳米碳材0.5-5克进行己酸化(将未经处理的纳米碳材加入3mol/L的硝酸水溶液400mL中,且利用超声波洗净机振荡1小时,使纳米碳材能均匀分散于硝酸水溶液,在85℃下以磁力搅拌14小时,反应完成后进行超声波振荡15分钟,最后用去离子水清洗到pH值呈中性,再抽气过滤,并放置于真空烘箱,60℃中干燥即得酸化纳米碳材。)
作为本发明的优选方式,步骤A中,氢氧化钠、尿素、硫脲以及水的重量比为8:6.5:8:77.5。
作为本发明的优选方式,步骤A中,干燥温度为60℃,干燥时间为12小时。
作为本发明的优选方式,所述吡咯溶液为25mL,浓度为0.1mol/L-10mol/L,所述中间复合膜在吡咯溶液中的浸泡温度为0℃,FeCl3·6H2O水溶液的体积25mL,FeCl3·6H2O水溶液的浓度0.43mol/L。
作为本发明的优选方式,步骤B中,干燥温度为80℃,时间为4小时。
静电产生器,包括正摩擦层、负摩擦层以及设置在正摩擦层与负摩擦层之间的弹性间隔块,正摩擦层和负摩擦层分别通过导线电连接至电容,正摩擦层采用上述的一种高分子复合薄膜。
作为本发明的优选方式,所述正摩擦层与所述弹性间隔块相背的一侧复合有第一铜箔层,所述负摩擦层与所述弹性间隔块相背的一侧复合有第二铜箔层,所述负摩擦层为聚四氟乙烯膜层。
作为本发明的优选方式,所述第一铜箔层与所述正摩擦层相背的一侧复合有第一聚亚酰胺基板,所述第二铜箔层与所述负摩擦层相背的一侧复合有第二聚亚酰胺基板。
采用本发明的技术方案后,当施加外力于静电产生器时,正摩擦层与负摩擦层将因外力压缩而接触,摩擦产生静电;当外力去除时,正摩擦层与负摩擦层将因弹性间隔块而分开,使得产生之电荷传导至外接电路,储存到电容器。本发明中,采用本发明的正摩擦层制作的静电产生器,其具有良好的稳定性,可以用于鞋垫和地毯中进行发电。
附图说明
图1为本发明中静电产生器的结构示意图。
图2为在频率为2Hz与6Hz测试下,正摩擦层与负摩擦层的静电产生器之开路电压随着作用力的变化结果(同一方框内,左侧线条表示2Hz的测试结果,右侧表示6Hz的测试结果)。其中,横坐标为时间,单位为s,纵坐标为电压,单位为V。
图3为在频率为2Hz与6Hz测试下,正摩擦层与负摩擦层的静电产生器之为短路电流随着作用力的变化结果(同一方框内,左侧线条表示2Hz的测试结果,右侧表示6Hz的测试结果)。其中,横坐标为时间,单位为s,纵坐标为电压,单位为V。
图4为本发明中固定作用力为60N和频率为6Hz下,静电产生器之电压、电流随着负载电阻的变化结果,其中,横坐标为电阻,单位为欧姆,纵坐标为电压,单位为V。
图5为本发明中固定作用力为60N和频率为6Hz下,静电产生器之功率密度随着负载电阻的变化结果,其中,横坐标为电阻,单位为欧姆,纵坐标为功率密度,单位为W/m2。
图中:
正摩擦层10 负摩擦层20
第一铜箔层30 第二铜箔层40
第一聚亚酰胺基板50 第二聚亚酰胺基板60
弹性间隔块70 电容80
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案,下面结合实施例进行详细阐述。
参照图1至图5,本发明提出了一种高分子复合薄膜,采用如下方式进行制作:
中间复合膜的制备:
将3克棉花(实施例中选用木棉)置入0.077mol/L的亚氯酸钠水溶液溶液体积为300mL中,并滴入2mL醋酸(质量浓度99%),再加热至80℃,反应3小时后,以去离子水清洗并烘干,此目的为将木棉表面的蜡与杂质去除,使棉花转变为亲水性。将已酸化之纳米碳材进行超音波震荡2小时分散于20mL去离子水中,再取预处理过之棉花溶于3mL的氢氧化钠、尿素、硫脲以及水混合溶液(四者的质量比为8:6.5:8:77.5),并在0℃下快速搅拌1小时后,将纳米碳材分散液逐滴加入棉花溶液中,于室温下搅拌2.5小时。抽气过滤成膜,以去离子水洗至pH值呈中性,取下薄膜后,使用2片玻璃片夹住,最后放入真空烘箱为60℃中干燥12小时,即形成中间复合膜。本发明中将1克未经处理的纳米碳材加入3mol/L的硝酸水溶液400mL中,且利用超声波洗净机振荡1小时,使纳米碳材能均匀分散于硝酸水溶液,在85℃下以磁力搅拌14小时,反应完成后进行超声波振荡15分钟,最后用去离子水清洗到pH值呈中性,再抽气过滤,并放置于真空烘箱,60℃中干燥即得酸化纳米碳材。
成品复合膜的制备:
将制作的中间复合膜分别浸泡于浓度(0.1mol/L-10mol/L)的吡咯水溶液(25mL)中,并在0℃下静置1小时后,再将中间复合膜浸泡至0.43mol/L的FeCl3·6H2O水溶液(25mL)中以诱导吡咯(Pyrrole)的聚合,且于0℃下静置2小时,以去离子水洗至中性,取出薄膜后,使用2片玻璃片夹住,最后放入真空烘箱为80℃中干燥4小时,即可形成成品复合膜的制作。
静电产生器的制作:
将成品复合膜裁剪成2×3cm2的大小,其作为正摩擦层10,且另一层使用相同尺寸的聚四氟乙烯薄膜作为负摩擦层20,而两者的背电极则贴附导电铜箔胶带作为电极层,即分别形成第一铜箔层30和第二铜箔层40,并各别黏贴一层聚亚酰胺薄膜于铜箔电极外层,即分别形成第一聚亚酰胺基板50和第二聚亚酰胺基板60,再将分别含有正摩擦层10与负摩擦层20之电极基板,以聚氨酯(PU)或乙烯醋酸乙烯酯(EVA)之发泡薄膜为弹性间隔块(厚度为1mm至50mm),正摩擦层10与负摩擦层20通过导线连接至电容80上,进行组装以完成元件的制作。
本发明中纳米碳材可以采用纳米碳粉、纳米碳管等,在实施例中,采用纳米碳管,其可直接从市面上购买。本发明中铜箔层也可以采用其它类似性质的金属材料(金、银、白金)电极,聚亚酰胺基板,亦可为其它高分子树酯(PET,PC,PP)基板。
本发明,当施加外力于静电产生器时,正摩擦层与负摩擦层将因外力压缩而接触,摩擦产生静电;当外力去除时,正摩擦层与负摩擦层将因弹性间隔块而分开,使得产生之电荷传导至外接电路,储存到电容器。
静电量测试实验结果
本研究采用Keithley 6514静电计和SR570低噪声电流转阻放大器分别量测开路电压(VOC)和短路电流(ISC),并且以资料撷取系统(DAQ)将讯号传送至LabView软件来获得实际数据。使用线性马达(厂牌:德国LinMot)对正摩擦层与负摩擦层施加作用力为60N和频率为2Hz及6Hz,且正摩擦层和负摩擦层之间弹性间隔块的厚度间距为12mm,将上述条件固定后就可进行摩擦纳米发电机之电性测试。
如图2和3所示,当测试频率为2Hz和6Hz下,改变不同作用力(15N、30N、45N和60N)进行接触与分离的运动,可发现到当力量为60N时,正摩擦层与负摩擦层的静电产生器有最大的开路电压和短路电流分别为94.20V、13.28μA与89.97V和16.88μA,因正摩擦层与负摩擦层压合摩擦,随着作用力的增加和材料本身具有弹性,使正摩擦层与负摩擦层之间的接触面积提高,从而提升输出性能。
如图4和图5所示,正摩擦层与负摩擦层之静电产生器,在作用力为60N和测试频率为6Hz下进行,当外部负载从5Ω增加至3×109Ω时,根据欧姆定律(V=IR)来解释,电压必上升且电流会下降,这是因为电阻过大造成漏电流的增加所影响的。在外部负载为1.5×107Ω时,正摩擦层与负摩擦层之压合摩擦产生的最佳电压、电流和功率密度分别为69.5V、9.57μA和2.29W/m2。本发明,固定压力为60N和频率为6Hz测试下,静电产生器经超过3000次工作循环后,开路电压仍维持于86.4V,表明此元件具有良好的稳定性。
本发明的产品形式并非限于本案实施例,任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰,皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (10)
1.一种高分子复合薄膜,其特征在于,采用如下步骤进行制作:
步骤A,将棉花进行清洗,去除棉花表面的蜡和杂质,将棉花溶于混合液中形成棉花溶液,混合溶液为氢氧化钠、尿素、硫脲以及水混合溶液,将纳米碳材超声波振荡分散于去离子水中形成分散液,将分散液加入棉花溶液中,在室温下搅拌2-3小时,之后过滤形成中间复合膜,水洗至PH呈中性,进行干燥;
步骤B,将步骤A制得的中间复合膜浸泡于吡咯溶液中0.5至1.5小时,取出后浸入FeCl3·6H2O水溶液,进行聚合反应1.5至2.5小时,形成成品复合膜,水洗中PH呈中性,再进行干燥。
2.如权利要求1所述的一种高分子复合薄膜,其特征在于,步骤A中,所述棉花为1-10克,将棉花置于300mL浓度为0.077mol/L的亚氯酸钠水溶液中,加入2ml质量浓度为99%醋酸,在80℃反应3小时。
3.如权利要求2所述的一种高分子复合薄膜,其特征在于,步骤A中,纳米碳材在进行超声波振荡之前,将0.5-5.0克纳米碳材进行己酸化,己酸化是将纳米碳材加入3mol/L的硝酸水溶液400mL中,且利用超声波洗净机振荡1小时,使纳米碳材能均匀分散于硝酸水溶液,在85℃下以磁力搅拌14小时,反应完成后进行超声波振荡15分钟,最后用去离子水清洗到pH值呈中性,再抽气过滤,并放置于真空烘箱,60℃中干燥酸化纳米碳材。
4.如权利要求3所述的一种高分子复合薄膜,其特征在于,步骤A中,氢氧化钠、尿素、硫脲以及水的重量比为8:6.5:8:77.5。
5.如权利要求4所述的一种高分子复合薄膜,其特征在于,步骤A中,干燥温度为60℃,干燥时间为12小时。
6.如权利要求5所述的一种高分子复合薄膜,其特征在于,所述吡咯溶液为25mL,浓度为0.1mol/L-10mol/L,所述中间复合膜在吡咯溶液中的浸泡温度为0℃,FeCl3·6H2O水溶液的体积25mL,FeCl3·6H2O水溶液的浓度0.43mol/L。
7.如权利要求6所述的一种高分子复合薄膜,其特征在于,步骤B中,干燥温度为80℃,时间为4小时。
8.静电产生器,包括正摩擦层、负摩擦层以及设置在正摩擦层与负摩擦层之间的弹性间隔块,正摩擦层和负摩擦层分别通过导线电连接至电容,其特征在于,正摩擦层采用权利要求1所述的一种高分子复合薄膜。
9.如权利要求8所述的静电产生器,其特征在于:所述正摩擦层与所述弹性间隔块相背的一侧复合有第一铜箔层,所述负摩擦层与所述弹性间隔块相背的一侧复合有第二铜箔层,所述负摩擦层为聚四氟乙烯膜层。
10.如权利要求9所述的静电产生器,其特征在于:所述第一铜箔层与所述正摩擦层相背的一侧复合有第一聚亚酰胺基板,所述第二铜箔层与所述负摩擦层相背的一侧复合有第二聚亚酰胺基板。
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