CN115260396B - 基于果胶制备高性能抗冻抗干水凝胶电极的方法及应用 - Google Patents

基于果胶制备高性能抗冻抗干水凝胶电极的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于果胶制备高性能抗冻抗干水凝胶电极的方法及应用，将果胶、亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵依次溶解于丙烯酰胺溶液中得到丙烯酰胺/果胶溶液；将CaCl2溶解于上述溶液；在鼓风干燥箱中高温聚合成果胶‑CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶；最后置于CaCl2溶液中浸泡得到高性能抗冻抗干水凝胶电极。本发明制得的水凝胶电极作为柔性摩擦纳米发电机的电极，可使柔性摩擦纳米发电机具有高拉伸性、优异的抗冻性和高电输出性。

Description

基于果胶制备高性能抗冻抗干水凝胶电极的方法及应用
技术领域
本发明属于水凝胶电极的制备及应用技术领域，具体涉及一种基于果胶制备高性能抗冻抗干水凝胶电极的方法及其作为柔性摩擦纳米发电机的应用。
背景技术
随着物联网技术和移动通信技术的日益成熟，智能可穿戴设备得到了迅速发展，可以帮助人们更好地检测身体的生命体征，与之紧密相关的供能问题，成为制约智能可穿戴电子设备发展的重要瓶颈。基于摩擦起电和静电感应效应的TENG的提出，为解决上述问题提供了一种可行且具有良好发展前景的解决方案，它可以收集周围环境中的机械振动、人体运动等所产生的机械能并将其转化为电能；此外，它还可以从各种随机的、不规则的、极小幅度的机械脉冲中获取能量。然而该技术在实际应用中仍存在一些障碍，主要存在的难点包括：对于可拉伸电极来说，电导率和延展性之间的平衡仍然是一大难题。大部分复合导体的电阻会随着应变的增加而急剧增加，从而限制了其应用范围；水凝胶电极的电导率和响应时间与电子导体相比要低得多，因此，需要开发具有良好导电性的水凝胶电极；TENG在恶虐环境下工作时，由于水凝胶本身内部水分子含量多的原因，容易发生性能退化。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种基于果胶制备高性能抗冻抗干水凝胶电极的方法及其作为柔性摩擦纳米发电机的应用，以有效解决现有水凝胶电极延展性和抗冻性差的问题。
本发明从设计基于果胶制备高性能抗冻抗干水凝胶电极出发：采用丙烯酰胺单体通过自发的加聚反应形成聚丙烯酰胺链，聚丙烯酰胺链与交联剂亚甲基双丙烯酰胺通过加成反应形成从而形成三维网络，CaCl2中的Ca2+作为交联点与果胶中半乳糖醛酸中未被酯化的羧基形成蛋壳结构，形成Ca2+-COO-配位络合网络，两种网络互相穿插，形成第一网络由Ca2+交联果胶的物理网络和第二网络由共价交联的聚丙烯酰胺网络所形成的双网络水凝胶电极；除此之外，水凝胶电极通过盐渗透的方式，使得该水凝胶具有更优异的导电性能和抗冻性。将基于果胶制备的高性能抗冻抗干水凝胶作为电极应用到柔性摩擦纳米发电机中测试其电输出性能，并考察其实际应用价值。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于果胶制备高性能抗冻抗干水凝胶电极的方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：将9.94g丙烯酰胺溶解于40mL去离子水中配制成丙烯酰胺溶液，再依次加入0.005g亚甲基双丙烯酰胺、0.005g果胶和0.24g过硫酸铵并搅拌使其充分溶解得到丙烯酰胺/果胶溶液；
步骤S2：将2.48g CaCl2加入到步骤S1得到的丙烯酰胺/果胶溶液中，溶解充分后超声处理30min，再用针管滴置玻璃器皿中，置于鼓风干燥箱中于60℃干燥1h，制得果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶；
步骤S3：将步骤S2得到的果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶浸泡于40wt%~60wt%的CaCl2溶液中浸泡12h，最终制得高性能抗冻抗干水凝胶电极，该高性能抗冻抗干水凝胶电极用作柔性摩擦纳米发电机电极。
本发明所述的高性能抗冻抗干水凝胶电极作为摩擦纳米发电机电极的应用，其特征在于具体过程为：将上述制备的水凝胶电极置于摩擦层表面，并将导线连接水凝胶电极和摩擦层之间，然后再取相同的摩擦层覆盖在相反面，使其呈三明治结构，四端用柔性双面胶封闭端口，即获得柔性摩擦纳米发电机。
优选的，所述摩擦层为聚二甲基硅氧烷（PDMS），该聚二甲基硅氧烷由质量比为10:1的Sylgard 184单体和Sylgard 184固化剂混合制备而得，所述柔性双面胶为VHB胶带。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：
1、本发明采用的丙烯酰胺通过自发的加聚反应形成聚丙烯酰胺链，聚丙烯酰胺链与交联剂亚甲基双丙烯酰胺通过加成反应形成从而形成三维网络。在金属盐离子CaCl2与果胶中半乳糖醛酸中未被酯化的羧基呈蛋壳结构，形成Ca2+-COO-配位络合网络，两种网络互相穿插，形成第一网络由Ca2+交联果胶的物理网络和第二网络由共价交联的聚丙烯酰胺网络所形成的双网络水凝胶，提高了水凝胶的力学性能和电导率。拉伸性能可以达到1600%左右，电导率0.6m/s。
2、本发明采用盐渗透的方式，进一步提高Ca2+的浓度，提高水凝胶电极的电导率，电导率从0.6m/s提升到8.12m/s，且降低水凝胶电极冰点，提高水凝胶的抗冻性，在低温-24℃可以正常使用。
3、本发明采用三明治结构，通过摩擦层-水凝胶电极-摩擦层三明治结构，以及端口用柔性双面胶的封闭的方式，提高了水凝胶的抗干性，在30天内，水凝胶的失水率控制在4%内。
附图说明
图1是实施例4中高性能抗冻抗干水凝胶摩擦纳米发电机整体结构示意图；
附图说明：1 -聚二甲基硅氧烷薄膜，2 -果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶，3 -导线；
图2是实施例4制备的高性能抗冻抗干水凝胶电极的应力-应变测试曲线；
图3是实施例1-4制备的高性能抗冻抗干水凝胶电极的阻抗图；
图4是实施例1-4制备的高性能抗冻抗干水凝胶电极的电导率图；
图5是实施例1-4制备的高性能抗冻抗干水凝胶电极的溶胀图；
图6是实施例4制备的高性能抗冻抗干水凝胶电极的抗失水性图；
图7是实施例5制备的高性能抗冻抗干水凝胶摩擦纳米发电机的电压输出信号图；
图8是实施例5制备的高性能抗冻抗干水凝胶摩擦纳米发电机的电流输出信号图；
图9是实施例5制备的高性能抗冻抗干水凝胶摩擦纳米发电机的转移电荷信号图；
图10是实施例5制备的制备的高性能抗冻抗干水凝胶摩擦纳米发电机冷冻前后的电压输出信号图。
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1
步骤S1：将9.94g丙烯酰胺溶解于40mL去离子水中配制成丙烯酰胺溶液，再依次加入0.005g亚甲基双丙烯酰胺、0.005g果胶和0.24g过硫酸铵并搅拌使其充分溶解得到丙烯酰胺/果胶溶液；
步骤S2：将2.48g CaCl2加入到步骤S1得到的丙烯酰胺/果胶溶液中，溶解充分后超声处理30min，再用针管滴置玻璃器皿中，置于鼓风干燥箱中于60℃干燥1h，制得果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶；
步骤S3：将步骤S2得到的果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶浸泡于40wt%的CaCl2溶液中浸泡12h，最终制得高性能抗冻抗干水凝胶电极，该水凝胶电极的导电率为5.49m/s。
实施例2
步骤S1：将9.94g丙烯酰胺溶解于40mL去离子水中配制成丙烯酰胺溶液，再依次加入0.005g亚甲基双丙烯酰胺、0.005g果胶和0.24g过硫酸铵并搅拌使其充分溶解得到丙烯酰胺/果胶溶液；
步骤S2：将2.48g CaCl2加入到步骤S1得到的丙烯酰胺/果胶溶液中，溶解充分后超声处理30min，再用针管滴置玻璃器皿中，置于鼓风干燥箱中于60℃干燥1h，制得果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶；
步骤S3：将步骤S2得到的果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶浸泡于45wt%的CaCl2溶液中浸泡12h，最终制得高性能抗冻抗干水凝胶电极，该水凝胶电极的导电率为5.92m/s。
实施例3
步骤S1：将9.94g丙烯酰胺溶解于40mL去离子水中配制成丙烯酰胺溶液，再依次加入0.005g亚甲基双丙烯酰胺、0.005g果胶和0.24g过硫酸铵并搅拌使其充分溶解得到丙烯酰胺/果胶溶液；
步骤S2：将2.48g CaCl2加入到步骤S1得到的丙烯酰胺/果胶溶液中，溶解充分后超声处理30min，再用针管滴置玻璃器皿中，置于鼓风干燥箱中于60℃干燥1h，制得果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶；
步骤S3：将步骤S2得到的果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶浸泡于50wt%的CaCl2溶液中浸泡12h，最终制得高性能抗冻抗干水凝胶电极，该水凝胶电极的导电率为7.579m/s。
实施例4
步骤S1：将9.94g丙烯酰胺溶解于40mL去离子水中配制成丙烯酰胺溶液，再依次加入0.005g亚甲基双丙烯酰胺、0.005g果胶和0.24g过硫酸铵并搅拌使其充分溶解得到丙烯酰胺/果胶溶液；
步骤S2：将2.48g CaCl2加入到步骤S1得到的丙烯酰胺/果胶溶液中，溶解充分后超声处理30min，再用针管滴置玻璃器皿中，置于鼓风干燥箱中于60℃干燥1h，制得果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶；
步骤S3：将步骤S2得到的果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶浸泡于55wt%的CaCl2溶液中浸泡12h，最终制得高性能抗冻抗干水凝胶电极，该水凝胶电极的导电率为8.012m/s。
实施例5
柔性摩擦纳米发电机是由基于果胶制备高性能抗冻抗干水凝胶作为电极，聚二甲基硅氧烷为Sylgard 184单体和Sylgard 184固化剂按质量比10:1混合制得的作为摩擦层。具体地，将上述制备的水凝胶电极（实施例4）置于摩擦层表面，并将导线连接水凝胶和摩擦层之间，然后再取相同的摩擦层覆盖在相反面，使其呈三明治结构，四端用柔性双面胶封闭端口，即获得基于果胶基抗冻抗干水凝胶摩擦纳米发电机。摩擦层厚度为1mm，水凝胶电极厚度为3mm。采用6514系统静电计测得基于果胶基抗冻抗干水凝胶柔性摩擦纳米发电机作为电极的开路电压为287V，短路电流为10μА，转移电荷为92nC。
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.基于果胶制备高性能抗冻抗干水凝胶电极的方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：将9.94g丙烯酰胺溶解于40mL去离子水中配制成丙烯酰胺溶液，再依次加入0.005g亚甲基双丙烯酰胺、0.005g果胶和0.24g过硫酸铵并搅拌使其充分溶解得到丙烯酰胺/果胶溶液；
步骤S2：将2.48g CaCl2加入到步骤S1得到的丙烯酰胺/果胶溶液中，溶解充分后超声处理30min，再用针管滴置玻璃器皿中，置于鼓风干燥箱中于60℃干燥1h，制得果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶；
步骤S3：将步骤S2得到的果胶-CaCl2/聚丙烯酰胺水凝胶浸泡于40wt%~60wt%的CaCl2溶液中浸泡12h，最终制得高性能抗冻抗干水凝胶电极，该高性能抗冻抗干水凝胶电极用作柔性摩擦纳米发电机电极。
2.根据权利要求1所述的方法制备的高性能抗冻抗干水凝胶电极作为摩擦纳米发电机电极的应用，其特征在于具体过程为：将制备的水凝胶电极置于摩擦层表面，并将导线连接水凝胶电极和摩擦层之间，然后再取相同的摩擦层覆盖在相反面，使其呈三明治结构，四端用柔性双面胶封闭端口，即获得柔性摩擦纳米发电机。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述摩擦层为聚二甲基硅氧烷，该聚二甲基硅氧烷由质量比为10:1的Sylgard 184单体和Sylgard 184固化剂混合制备而得，所述柔性双面胶为VHB胶带。
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