CN114629373A - 基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的制备方法，将聚乙烯醇加入到氯化锂溶液中并加热搅拌得到溶液一；将壳聚糖加入到冰乙酸溶液中，搅拌后加入胶原蛋白，冷冻干燥得到溶液二；将溶液一和溶液二混合，再加入丙烯酰胺和过硫酸钾，搅拌得到溶液三；将四甲基乙二胺加入到溶液三中，室温固化得到聚乙烯醇/胶原蛋白水凝胶，切块后得到水凝胶单元；将聚四氟乙烯层覆盖贴附于水凝胶单元上，再整体覆盖贴附于支撑层上得到摩擦纳米发电机。本发明制备的基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机在按压作用下能够将周围机械能转化为电能，具有输出功率高、透明度好、拉伸性好，在极端环境下也表现出稳定的输出。

Description

基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的制备方法
技术领域
本发明属于水凝胶摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的制备方法。
背景技术
摩擦纳米发电机是2012年由王中林院士及其科研团队开发的一种可将机械能转换为电能的新型发电装置，自其诞生以来，以独特的技术手段引起了科研界研发人员的关注。然而，传统的摩擦纳米发电机体积庞大、结构复杂，在实际应用中会受到自身刚性的限制，由此科研人员开发了柔性纳米发电机。在柔性纳米发电机中，水凝胶以成本低廉、结构简单、转化效率高等特点受到了广泛的关注。因为水凝胶摩擦纳米发电机作为一种清洁的发电装置，在产生电能的同时不会释放有害物质，起到了环保作用。
然而，现有的摩擦纳米发电机仍存在一些不足之处：（1）摩擦纳米发电机通常采用的是柔性较差的刚性材料，便携和舒适度下降而难以满足实际应用需求；（2）摩擦纳米发电机的制备方法存在周期较长、操作难度大，成本高等问题，难以实现大规模工业生产和应用；（3）对于一些摩擦纳米发电机来说，科研工作者对水凝胶的研究主要在于材料的改性和机械性能的提高，而忽略了耐高温和耐低温的特性，导致无法完全满足实际应用需求，因为使用寿命短和应用于实际环境中电极易损坏，限制了应用范围和大规模生产。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种成本低廉且便于携带的基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的制备方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述摩擦纳米发电机的摩擦单元包括支撑层、设置于支撑层上的电极层、设置于电极层上的摩擦层及连接于电极层和摩擦层之间的导线，其中电极层为聚乙烯醇/胶原蛋白水凝胶层，摩擦层为聚四氟乙烯层；
所述聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的具体制备步骤为：
步骤S1：将聚乙烯醇加入到氯化锂溶液中并加热搅拌得到溶液一；
步骤S2：将壳聚糖加入到冰乙酸溶液中，室温搅拌混合均匀后加入胶原蛋白，继续搅拌混合均匀后进行冷冻干燥得到溶液二；
步骤S3：将步骤S1得到的溶液一和步骤S2得到的溶液二混合，再加入丙烯酰胺和过硫酸钾，常温搅拌混合均匀后得到溶液三；
步骤S4：将四甲基乙二胺加入到步骤S3得到溶液三中，搅拌混合均匀后室温固化得到聚乙烯醇/胶原蛋白水凝胶，再进行切块后得到水凝胶单元；
步骤S5：将聚四氟乙烯层覆盖贴附于步骤S4得到的水凝胶单元上，再整体覆盖贴附于支撑层上即得到基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机。
进一步限定，所述基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的具体制备步骤为：
步骤S1：将1.1g氯化锂溶于20mL去离子水中配制成氯化锂溶液，再将2.2g聚乙烯醇加入到氯化锂溶液中并加热至95-100℃搅拌得到溶液一；
步骤S2：将0.112g壳聚糖加入到0.5mol/L的冰乙酸溶液中，室温搅拌混合均匀后加入0.337g胶原蛋白，继续搅拌混合均匀后进行冷冻干燥得到溶液二；
步骤S3：将15mL步骤S1得到的溶液一和0.5mL步骤S2得到的溶液二混合，再加入3.183g丙烯酰胺和0.03g过硫酸钾，室温搅拌混合均匀后得到溶液三；
步骤S4：将10μL四甲基乙二胺加入到步骤S3得到溶液三中，搅拌混合均匀后室温固化得到聚乙烯醇/胶原蛋白水凝胶，再进行切块后得到水凝胶单元；
步骤S5：将聚四氟乙烯层覆盖贴附于步骤S4得到的水凝胶单元上，再整体覆盖贴附于支撑层上即得到基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机。
进一步限定，所述支撑层为亚克力板或丙烯酸板。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：本发明有效解决了目前水凝胶摩擦纳米发电机柔韧性差、制备方法复杂、透明度低、拉伸性差的问题。本发明制备的聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机具有成本低廉和便于携带的特点，它可以通过与外界中呈电正性的材料进行摩擦来实现机械能向电能的转化。本发明制备的基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机在按压作用下能够将周围机械能转化为电能，具有输出功率高、透明度好、拉伸性好，在极端环境下也表现出稳定的输出。
本发明所制备的水凝胶中胶原蛋白与聚丙烯酰胺链间形成分子间氢键，提供了优异拉伸性能的超分子水凝胶，可拉伸到原长度的4600%。不仅如此，水凝胶摩擦纳米发电机可应用于极端（比如高温、低温）环境中，相比于在极端环境中会失去活性导致设备不奏效、限制应用范围的水凝胶，本发明所述水凝胶即使在水分流失后也能保证其有效地工作，说明该发明应用范围广泛。
附图说明
图1是本发明基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机摩擦单元的结构示意图；
图中：1-摩擦层，2-电极层，3-支撑层，4-导线；
图2是实施例中基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机电极层未拉伸示意图；
图3是实施例中基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机电极层拉伸示意图；
图4是实施例中基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机电压输出曲线；
图5是实施例中基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机电流输出曲线；
图6是实施例中基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机电荷输出曲线；
图7是实施例中基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机透明性示意图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机，其包括支撑层3、设置于支撑层3上的电极层2、设置于电极层2上的摩擦层1及连接于电极层2和摩擦层1之间的导线4，其中电极层2为聚乙烯醇/胶原蛋白水凝胶层，摩擦层1为聚四氟乙烯层；
所述基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的具体制备步骤为：
步骤S1：将1.1g氯化锂溶于20mL去离子水中配制成氯化锂溶液，再将2.2g聚乙烯醇加入到氯化锂溶液中并加热至95-100℃搅拌得到溶液一；
步骤S2：将0.112g壳聚糖加入到0.5mol/L的冰乙酸溶液中，室温搅拌混合均匀后加入0.337g胶原蛋白，继续搅拌混合均匀后进行冷冻干燥得到溶液二；
步骤S3：将15mL步骤S1得到的溶液一和0.5mL步骤S2得到的溶液二混合，再加入3.183g丙烯酰胺和0.03g过硫酸钾，室温搅拌混合均匀后得到溶液三；
步骤S4：将10μL四甲基乙二胺加入到步骤S3得到溶液三中，搅拌混合均匀后室温固化得到聚乙烯醇/胶原蛋白水凝胶，再进行切块后得到水凝胶单元；
步骤S5：将聚四氟乙烯层覆盖贴附于步骤S4得到的水凝胶单元上，再整体覆盖贴附于支撑层上即得到基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机。
将制备的单电极摩擦纳米发电机的导线连接外部电路，外部电路的另一端接地，以此来检测所制备的单电极摩擦纳米发电机的输出性能。
本发明所述聚乙烯醇/胶原蛋白水凝胶摩擦纳米发电机可应用于极端环境且保持高输出，可被应用于多领域。氯化锂利用了离子化合物降低水相的冰点，抑制水分子的结晶，使水凝胶在极端环境下仍能工作。在聚乙烯醇中加入胶原蛋白/壳聚糖溶液可提升其拉伸性能，且可预防水凝胶变质。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (3)

1.基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述摩擦纳米发电机的摩擦单元包括支撑层、设置于支撑层上的电极层、设置于电极层上的摩擦层及连接于电极层和摩擦层之间的导线，其中电极层为聚乙烯醇/胶原蛋白水凝胶层，摩擦层为聚四氟乙烯层；
所述聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的具体制备步骤为：
步骤S1：将聚乙烯醇加入到氯化锂溶液中并加热搅拌得到溶液一；
步骤S2：将壳聚糖加入到冰乙酸溶液中，室温搅拌混合均匀后加入胶原蛋白，继续搅拌混合均匀后进行冷冻干燥得到溶液二；
步骤S3：将步骤S1得到的溶液一和步骤S2得到的溶液二混合，再加入丙烯酰胺和过硫酸钾，常温搅拌混合均匀后得到溶液三；
步骤S4：将四甲基乙二胺加入到步骤S3得到溶液三中，搅拌混合均匀后室温固化得到聚乙烯醇/胶原蛋白水凝胶，再进行切块后得到水凝胶单元；
步骤S5：将聚四氟乙烯层覆盖贴附于步骤S4得到的水凝胶单元上，再整体覆盖贴附于支撑层上即得到基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机。
2.根据权利要求1所述的基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
步骤S1：将1.1g氯化锂溶于20mL去离子水中配制成氯化锂溶液，再将2.2g聚乙烯醇加入到氯化锂溶液中并加热至95-100℃搅拌得到溶液一；
步骤S2：将0.112g壳聚糖加入到0.5mol/L的冰乙酸溶液中，室温搅拌混合均匀后加入0.337g胶原蛋白，继续搅拌混合均匀后进行冷冻干燥得到溶液二；
步骤S3：将15mL步骤S1得到的溶液一和0.5mL步骤S2得到的溶液二混合，再加入3.183g丙烯酰胺和0.03g过硫酸钾，室温搅拌混合均匀后得到溶液三；
步骤S4：将10μL四甲基乙二胺加入到步骤S3得到溶液三中，搅拌混合均匀后室温固化得到聚乙烯醇/胶原蛋白水凝胶，再进行切块后得到水凝胶单元；
步骤S5：将聚四氟乙烯层覆盖贴附于步骤S4得到的水凝胶单元上，再整体覆盖贴附于支撑层上即得到基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机。
3.根据权利要求1所述的基于聚乙烯醇/胶原蛋白摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述支撑层为亚克力板或丙烯酸板。
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CN115433420A (zh) * 2022-08-31 2022-12-06 河南师范大学 一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115433420A (zh) * 2022-08-31 2022-12-06 河南师范大学 一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机
CN115433420B (zh) * 2022-08-31 2023-09-12 河南师范大学 一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机

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