CN114900066A - 一种高电输出的摩擦电纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高电输出的摩擦电纳米发电机，涉及摩擦电纳米发电机技术领域，包括相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电级相对设置的面上分别设有电正性聚合物摩擦层和电负性聚合物摩擦层，在振动源的作用下，电正性聚合物摩擦层和电负性聚合物摩擦层相互接触和分离产生电信号；所述电正性聚合物摩擦层和/或电负性聚合物摩擦层中添加有介电储能材料。本发明通过向聚合物摩擦层的高分子聚合物基质中加入了介电储能材料作为填料，在保证摩擦层力学性能的基础上，有效提高摩擦电纳米发电机的电输出；本发明的摩擦电纳米发电机尤其适合在不稳定外界刺激环境下使用。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦电纳米发电机技术领域，尤其涉及一种高电输出的摩擦电纳米发电机。
背景技术
大量的振动能量广泛地存在于环境中，如海浪、车辆系统、桥梁的振动。大多数周围环境的振动在非常低的频率下占主导地位，摩擦电纳米发电机结合了众所周知的接触带电效应和静电感应，已被证明是一种收集环境机械能的既经济有效又稳健的方法。摩擦电纳米发电机的工作原理是：两个聚合物薄膜摩擦起电使得一个聚合物的内表面带正电，另一个聚合物的内表面带负电，当两个聚合物分离时，带相反电荷的两个表面会分开，并在两个面之间产生电场，从而使两个电极之间形成电势差，驱动电子在外电路从一个电极流到另一个电极，直到两个电极的电势达到平衡状态，随后，当两个聚合物再次由压缩而接触时，摩擦电荷诱导的电势差降低到零，转移的电荷通过外电路流回，从而产生另一个方向相反的电流脉冲，当这种周期性的机械形变持续时，就会在回路中产生持续不断的交流信号。基于这种原理，摩擦电纳米发电机能够将环境中的机械能收集利用。
摩擦电纳米发电机中的两层聚合物主要用来摩擦起电，所以一般选用摩擦起电量较好的材料，在摩擦起电层外会有一层用于传输电荷的电极材料。现有的摩擦电纳米发电机都是针对于提高摩擦带电量进行的改进，但是摩擦起电量增加之后，用于传感器或LED灯等器件时，由于器件本身能量消耗过小，可能会产生能量有剩余的情况，或者当没有外界刺激的情况下，摩擦电纳米发电机没有工作输出，就会导致器件停止工作。
在增加摩擦电纳米发电机电输出的方法中，最常用的是通过化学改性来增加摩擦层材料分子中的碳、氮、氧等元素的含量或引入长链基团以增加总体电子的转移量。然而，摩擦起电中的电子从产生的那一刻起就在不断地向环境中耗散，最终达到零电势。因此，即使增加了摩擦起电的电量，摩擦层总体的电势仍然会不断降低，这对增加摩擦电纳米发电机的电输出贡献不大。所以，增加摩擦层的储电能力，将是决定摩擦电纳米发电机的关键。尽管摩擦电纳米发电机存在以上的问题，但是关于如何储存摩擦电纳米发电机摩擦起电后电荷能力的研究较少。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高电输出的摩擦电纳米发电机。
本发明提出的一种高电输出的摩擦电纳米发电机，包括相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电级相对设置的面上分别设有电正性聚合物摩擦层和电负性聚合物摩擦层，在振动源的作用下，电正性聚合物摩擦层和电负性聚合物摩擦层相互接触和分离产生电信号；所述电正性聚合物摩擦层和/或电负性聚合物摩擦层中添加有介电储能材料。
优选地，所述介电储能材料包括氧化石墨烯、PTFE纳米球、MXene、黑磷、片层蒙脱土、BaTiO3纳米颗粒中的一种或多种。
优选地，所述氧化石墨烯的厚度为0.55-3.73nm，粒子尺寸为0.5-3μm；PTFE纳米球的平均粒径为10nm；Mxene的使用片径为1-10μm；黑磷的粒径为1-10nm；片层蒙脱土的粒度为400目，密度为0.17g/cm3；BaTiO3纳米颗粒的平均粒径为100nm；聚丙烯为0.9-0.91g/cm3。
优选地，所述电正性聚合物摩擦层的材料包括高分子聚合物基质Ⅰ；所述高分子聚合物基质Ⅰ包括聚氨酯弹性体、聚乙烯醇、聚异丁烯、尼龙6、尼龙11、聚邻苯二甲酸二烯丙酯中的一种。
优选地，所述电正性聚合物摩擦层的材料包括高分子聚合物基质Ⅰ和介电储能材料；其中，聚合物基质Ⅰ为聚氨酯弹性体、聚乙烯醇、聚异丁烯、尼龙6、聚邻苯二甲酸二烯丙酯中的一种，介电储能材料的添加量为高分子聚合物基质Ⅰ质量的1-10％。
上述电正性聚合物摩擦层的制备是将高分子聚合物基质Ⅰ和介电储能材料混合，然后涂布到第一电极表面得到的。
优选地，所述电负性聚合物摩擦层的材料包括高分子聚合物基质Ⅱ；所述高分子聚合物基质Ⅱ包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯中的一种。
优选地，所述电负性聚合物摩擦层的材料包括高分子聚合物基质Ⅱ和介电储能材料；其中，高分子聚合物基质Ⅱ为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯中的一种，介电储能材料的添加量为高分子聚合物基质Ⅱ质量的1-10％。
上述电负性聚合物摩擦层的制备是将高分子聚合物基质Ⅱ和介电储能材料混合，然后涂布到第二电极表面得到的。
优选地，所述第一电极和第二电极的材质为金属铜。
优选地，所述第一电极、第二电极的尺寸为：长6cm、宽6cm、厚0.5mm；电正性聚合物摩擦层和电负性聚合物摩擦层的尺寸为：长5.5-6cm、宽5.5-6cm、厚40-60μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：
1.本发明在现有摩擦电纳米发电机的基础上，向聚合物摩擦层的高分子聚合物基质中加入了介电储能材料作为填料，由于这些纳米颗粒的介电性能优异，电容大，介电损耗小，或者层间具有优良的束缚电荷的能力，因此在保持原有的摩擦起电量的基础上，还最大限度的储存摩擦层所产生的摩擦电荷并最终转换为电输出为器件供能；其次，这些纳米材料具有较小的尺寸，容易与摩擦层混合，不会影响摩擦层的力学性能和摩擦学性能；因此，介电储能材料的加入在保证摩擦层力学性能的基础上，有效提高摩擦电纳米发电机的电输出。
2.所选用的介电储能材料来源广泛，价格低廉，稳定性好。
3.对于不稳定外界刺激环境，如周围环境的振动不稳定，摩擦电纳米发电机时而工作时而停止工作，或者输出低于电荷产生量，有一部分产生的电荷只能储存在摩擦电层内时等情况下，本发明的摩擦电纳米发电机尤其适合在上述不稳定外界刺激环境下使用。
附图说明
图1为本发明提出的摩擦电纳米发电机的结构示意图；其中，1为第一电极，2为电正性聚合物摩擦层，3为弹簧，4为第二电极，5为电负性聚合物摩擦层；
图2为本发明实施例1中的摩擦电纳米发电机的输出电流对比图；
图3为本发明实施例2中的摩擦电纳米发电机的点灯演示试验结果图。
具体实施方式
如图1所示，图1为本发明的摩擦电纳米发电机的结构示意图，包括相对设置的第一电极1和第二电极4，所述第一电极1和第二电级4相对设置的面上分别设有电正性聚合物摩擦层2和电负性聚合物摩擦层5，在振动源的作用下，电正性聚合物摩擦层2和电负性聚合物摩擦层5通过弹簧3相互接触和分离产生电信号。可以在电正性聚合物摩擦层2和/或电负性聚合物摩擦层5的高分子聚合物基质中添加介电储能材料作为填料，以改善摩擦电纳米发电机的电输出性能。
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种摩擦电纳米发电机，其制备如下：向100份PDMS胶体中加入5份BaTiO3纳米颗粒(球体，100nm)，机械搅拌使其混合后，加入10份固化剂，旋涂至铜电极上，于80℃干燥4h使其固化。随后，在铜电极处引出铜导线，得到PDMS基摩擦电极。另取1份MXene，加入到100份PVA中，然后加入1000份蒸馏水，在机械搅拌下于90℃加热使PVA溶解，流延法至平地塑料盘中，于50℃干燥、裁剪、贴铜电极后，引出铜导线，得到PVA基电极。PDMS电极和PVA电极组成摩擦电纳米发电机(TENG)，记为实验组。将TENG的两个电极分别置于马达杆和屏蔽箱上，驱动马达进行电输出测试。
将未添加BaTiO3纳米颗粒和MXene的PDMS和PVA膜所组成的TENG作为空白组。
所得数据如图2所示。结果显示，相比于空白组(0.9μA)，添加介电储能材料后的TENG的输出电流(6.6μA)增加了7.3倍。
实施例2
一种摩擦电纳米发电机，其制备如下：将100份TPU溶于100份N，N-二甲基甲酰胺中，然后加入1份蒙脱土，于1000r/min的高速机械搅拌下持续搅拌1h，然后迅速倒入玻璃培养皿中，于50℃下干燥、裁剪、贴铜电极后，引出铜导线，得到TPU基电极。另取PTFE膜，贴铜电极并引出铜导线，得到PTFE基电极，两个电极组成TENG，记为实验组。
将未添加蒙脱土的TPU电极与PTFE组成的TENG记为空白组。
两个TENG分别与LED二极管相连，用手拍打TENG使其产电，观察与两个TENG相连的LED二极管的发光情况。结果如图3所示显示，空白组仅能点亮62个LED二极管，而实验组可以点亮868个LED二极管。
实施例3
一种摩擦电纳米发电机，其制备如下：取100份聚偏氟乙烯(PVDF)粉末，加入300份N，N-二甲基甲酰胺和400份丙酮溶液，常温搅拌5h是其他溶解，然后加入10份PTFE纳米球(10nm)，继续搅拌1h使其混合均匀。将混合液涂抹在铜胶带上，于500r/min的旋转涂膜机上旋涂成膜，在40℃下干燥30min后，在铜胶带的北部引出铜导线，得到PVDF基摩擦电极，作为TENG的负极。以尼龙11作为TENG的正极，组成TENG。将TENG贴在手臂上并用手拍打，可以轻松地为与其相连的手表供电。
实施例4
一种摩擦电纳米发电机，其制备如下：在100份尼龙-6颗粒中加入400份无水甲酸和400份二氯甲烷，常温下搅拌2h使其溶解。然后加入6份氧化石墨烯，继续搅拌30min，使其混合均匀。用喷枪将混合液喷洒在铜胶带上，于50℃下干燥1h，引出铜导线，得到尼龙基TENG。TENG的另一个电极选择PTFE电极，两个电极组成TENG。驱动马达使TENG两个电极做接触-分离运动，与其相连的湿度计被成功驱动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高电输出的摩擦电纳米发电机，其特征在于，包括相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电级相对设置的面上分别设有电正性聚合物摩擦层和电负性聚合物摩擦层，在振动源的作用下，电正性聚合物摩擦层和电负性聚合物摩擦层相互接触和分离产生电信号；所述电正性聚合物摩擦层和/或电负性聚合物摩擦层中添加有介电储能材料。
2.根据权利要求1所述的高电输出的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述介电储能材料包括氧化石墨烯、PTFE纳米球、MXene、黑磷、片层蒙脱土、BaTiO3纳米颗粒中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的高电输出的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述氧化石墨烯的厚度为0.55-3.73nm，粒子尺寸为0.5-3μm；PTFE纳米球的平均粒径为10nm；Mxene的使用片径为1-10μm；黑磷的粒径为1-10nm；片层蒙脱土的粒度为400目，密度为0.17g/cm3；BaTiO3纳米颗粒的平均粒径为100nm；聚丙烯为0.9-0.91g/cm3。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高电输出的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述电正性聚合物摩擦层的材料包括高分子聚合物基质Ⅰ；所述高分子聚合物基质Ⅰ包括聚氨酯弹性体、聚乙烯醇、聚异丁烯、尼龙6、尼龙11、聚邻苯二甲酸二烯丙酯中的一种。
5.根据权利要求4所述的高电输出的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述电正性聚合物摩擦层的材料包括高分子聚合物基质Ⅰ和介电储能材料；其中，聚合物基质Ⅰ为聚氨酯弹性体、聚乙烯醇、聚异丁烯、尼龙6、聚邻苯二甲酸二烯丙酯中的一种，介电储能材料的添加量为高分子聚合物基质Ⅰ质量的1-10％。
6.根据权利要求1-3任一项所述的高电输出的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述电负性聚合物摩擦层的材料包括高分子聚合物基质Ⅱ；所述高分子聚合物基质Ⅱ包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯中的一种。
7.根据权利要求6所述的高电输出的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述电负性聚合物摩擦层的材料包括高分子聚合物基质Ⅱ和介电储能材料；其中，高分子聚合物基质Ⅱ为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯中的一种，介电储能材料的添加量为高分子聚合物基质Ⅱ质量的1-10％。
8.根据权利要求1所述的高电输出的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述第一电极和第二电极的材质为金属铜。
9.根据权利要求1所述的高电输出的摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述第一电极、第二电极的尺寸为：长6cm、宽6cm、厚0.5mm；电正性聚合物摩擦层和电负性聚合物摩擦层的尺寸为：长5.5-6cm、宽5.5-6cm、厚40-60μm。
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|---|---|---|---|---|
| CN115724460A (zh) * | 2022-11-11 | 2023-03-03 | 西安电子科技大学 | 一种基于钙钛矿材料的摩擦纳米发电机及其制备方法 |
| CN116396513A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-07-07 | 北京科技大学 | 一种复合薄膜材料、摩擦纳米发电机及其制备方法和应用 |
| CN117624698A (zh) * | 2023-12-25 | 2024-03-01 | 中国林业科学研究院林产化学工业研究所 | 一种用于摩擦纳米发电机的聚二甲基苯基硅氧烷摩擦层的制备方法和应用 |
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- 2022-05-16 CN CN202210527937.9A patent/CN114900066A/zh not_active Withdrawn
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