一种自驱动空气负离子产生地板的制作方法

本发明涉及智能建材/建筑技术领域，特别是涉及一种自驱动空气负离子产生地板。

背景技术：

负离子地板是指可以释放负离子的地板，是智能建材和建筑的重要组成部分，其产生的空气负离子对于吸附空气中的pm2.5，净化有毒气体物质，调节人体酸碱平衡等均具有很好的作用，是提供室内健康工作生活环境的重要元素。目前人造负离子主要有两个途径，一种是利用高压电产生电离使空气产生负离子，另一种是利用天然矿物质，并经过加工形成能够释放负离子的材料。

现有负离子产生地板，主要依靠涂敷能够产生负离子的负离子粉末层予以实现，该方法虽然简单易操作，但是产生的空气负离子单位体积个数量较少，无法达到很好的净化空气效果。另一方面，如果采用外部供电的方式，利用高压电电离空气产生负离子，将大大增加室内的能量损耗和地板的安装成本。

技术实现要素：

(一)本发明需解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种空气负离子产生地板，通过结合摩擦纳米发电单元，ac-dc电源管理模块和负离子产生单元实现地板在踩踏时高效的产生并释放空气负离子。本发明能够解决以上所述的至少部分技术问题。

(二)本发明的技术方案

为了实现上述目的，本发明提供一种自驱动空气负离子产生地板，包括地板本体，所述地板本体包括自下至上装配的摩擦纳米发电机单元层和空气负离子产生单元层，以及安装在所述地板本体内的ac-dc电源管理模块，所述ac-dc电源管理模块的输入端和输出端分别与所述摩擦纳米发电机单元层和所述空气负离子产生单元层连接，所述空气负离子产生单元层包括导电电极，所述摩擦纳米发电机单元层配置为能够采集所述地板本体受压时的机械能并将其转化为电能，并通过所述ac-dc电源管理模块提供至所述空气负离子产生单元层。

本发明提供的空气负离子产生地板，可以将人体踩踏地板时的能量转化为可设定的稳定直流高压，供给空气负离子产生层，通过高压电离产生空气负离子，本发明的地板无需外部电源，通过自身的能量转化实现高压电离产生空气负离子，从而实现地板能量的自驱动功能。

进一步，所述地板本体还包括位于所述摩擦纳米发电机单元层下方的第一基底层，位于所述摩擦纳米发电机单元层与所述空气负离子产生单元层之间的第二基底层，以及位于所述空气负离子产生单元层上方的封装层；所述封装层为门字型结构，所述封装层与所述第二基底层共同形成一个空腔结构，所述空气负离子产生单元层设置在所述空腔结构内。

进一步，所述第一基底层上设置有一个或多个通孔以及覆盖在所述一个或多个通孔上的第一单向气流开关部件；所述第二基底层上设置有一个或多个通孔以及覆盖在所述一个或多个通孔上的第二单向气流开关部件。

进一步，所述第一单向气流开关部件配置为，当所述地板本体受压过程中处于关闭状态，当所述地板本体恢复未受压过程中处于打开状态；所述第二单向气流开关部件配置为，当所述地板本体受压过程中处于打开状态，当所述地板本体恢复未受压过程中处于关闭状态。

进一步，所述封装层的顶面设置有开孔，所述开孔的直径为1μm-5mm。

进一步，所述ac-dc电源管理模块可装置于地板的任意位置，优选地，所述ac-dc电源管理模块设置在所述空腔结构内。

进一步，所述摩擦纳米发电机单元层包括摩擦纳米发电机单元和围绕所述摩擦纳米发电机单元布置的弹性封装单元，所述摩擦纳米发电机单元包括上电极层、下电极层、覆盖在所述上电极层下表面的第一摩擦起电层和覆盖在所述下电极层上表面的第二摩擦起电层。

所述摩擦纳米发电机单元层的弹性封装单元，其功能在于密封摩擦纳米发电机单元，其材料可选择硅胶，天然橡胶，或者弹簧与封装材料的组合物。

进一步，所述ac-dc电源管理模块为ac-dc转换模块、ac-dc升压模块、ac-dc稳压模块或ac-dc升压稳压模块：当所述ac-dc电源管理模块为ac-dc转换模块时，所述电源管理模块包括整流二极管；当所述ac-dc电源管理模块为ac-dc升压模块时，所述电源管理模块包括串联的整流二极管和电容元件；当所述ac-dc电源管理模块为ac-dc稳压模块时，所述电源管理模块包括串联的整流二极管和稳压二极管；当所述ac-dc升压稳压电源管理模块为ac-dc升压稳压模块时，所述ac-dc电源管理模块包括串联的整流二极管、电容元件和稳压二极管。其升压稳压过程为：所述摩擦纳米发电机单元产生的电能，通过整流二极管存入电容元件中实现ac-dc的转化，电容元件通过串联状态实现dc的升压，最后通过稳压二极管实现额定dc电压的控制以及限制。

进一步，所述导电电极包括尖端电极阵列，所述尖端电极的尖端直径为10nm-1mm，所述导电电极的材料可选用碳纳米纤维，导电层覆盖的zno纳米线阵列和所有满足尖端尺寸要求的导电材料。

进一步，所述导电电极与所述ac-dc电源管理模块的输出端的负极相连，所述ac-dc电源管理模块的输出端的正极接地。

(三)本发明的有益效果

通过上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的空气负离子产生地板，利用高压电场离子化空气的方法，相比于负离子粉末涂层具有更好的负离子产生效果。

(2)本发明的空气负离子产生地板，利用摩擦纳米发电机的高压输出特性，采用ac-dc电源管理模块，无需复杂的直流变压电路技术，无需外部提供电能，可实现在人体踩踏时的自驱动空气负离子产生特性。

(3)本发明的空气负离子产生地板，利用摩擦纳米发电机工作需要的接触分离特性，引入至少两组空气单向气流开关部件，在踩踏产生空气负离子的同时，吸收外部的空气，自动吹出负离子产生单元层中产生的空气负离子，加快负离子的释放。

(4)本发明提供的自驱动空气负离子产生地板，能够在地板的生产过程中或现有地板上加工集成，具有轻质，廉价，安装方便，空气负离子产生效率高等特点，可以用于室内空气的净化，营造健康的工作生活环境。

附图说明

图1为本发明实施例空气负离子产生地板的截面结构示意图。

图2a和2b为本发明实施例单向气流开关部件的结构及工作状态示意图。

图3为本发明实施例ac-dc升压稳压模块电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

应该注意的是，本发明中使用的“第一”、“第二”等仅用于区分不同对象，而不意味着这些对象之间具有任何特定顺序关系。术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制。除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种自驱动空气负离子产生地板。该自驱动空气负离子产生地板具有将地板受到踩踏时的机械能转化为电能，供给地板中负离子产生单元制造空气负离子的功能。

本发明提供的一种自驱动空气负离子产生地板，由若干地板本体拼接而成，地板本体包括由下至上布置的摩擦纳米发电机单元层和空气负离子产生单元层，所述地板本体还包括ac-dc电源管理模块。其工作原理为：利用摩擦纳米发电机单元层和ac-dc电源管理模块，将踩踏地板时的机械能转化为高电压直流电，利用空气负离子产生单元层中的尖端放电离子化空气产生空气负离子。

摩擦纳米发电机单元层包括摩擦纳米发电机单元，该摩擦纳米发电机单元包括上下摩擦电极层，通过柔性弹性密封单元实现封装和产生接触分离效果。为了安装摩擦纳米发电机单元，通常需要两层硬质基底材料作为框架。在摩擦纳米发电机单元层中还包括位于下基底或者侧壁材料上的通孔和单向气流开关部件，用于实现摩擦纳米发电机踩踏时内部和外部空气的交换，促进空气负离子的产生和释放。本发明所述的摩擦纳米发电机为接触分离模式的摩擦纳米发电机。

ac-dc电源管理模块由若干整流二极管，高压电容单元和稳压二极管构成，其作用为接入摩擦纳米发电机单元产生的交流电能，形成稳定的直流高压电能。

空气负离子产生单元层包括开孔腔体，电极层单元和单向气流开关部件。电极层单元为尖端电极阵列构成。通过接入ac-dc电源管理模块的输出端在地板踩踏工作时，利用尖端放电离子化空气和单向气流开关部件，实现空气负离子的产生和释放。

下面结合附图说明本发明自驱动空气负离子产生地板的基本结构组成。

图1是本发明实施例自驱动空气负离子产生地板的截面结构示意图。如图1所示，所述空气负离子产生地板的地板本体包括自下而上布置的第一基底层1、摩擦纳米发电机单元层2、第二基底层3、空气负离子产生单元层4和封装层5。地板本体还包括ac-dc电源管理模块106，优选地，ac-dc电源管理模块106集成在空气负离子产生单元层4中。空气负离子产生单元层4通过ac-dc电源管理模块106与摩擦纳米发电机单元层2连接。所述摩擦纳米发电机单元层配置为转化地板本体上所受的踩踏机械能为电能，通过ac-dc电源管理模块形成可设定的稳定直流高压，提供至所述空气负离子产生单元层产生空气负离子。

第一基底层1、第二基底层3和封装层5对摩擦纳米发电机单元层2和空气负离子产生单元层4起支撑与封装作用。在一种优选实施例中，第一基底层1、第二基底层3和封装层5均采用硬质材料101。

第一基底层1上设置有一个或多个通孔和覆盖在所述一个或多个通孔上的第一单向气流开关部件105。在另一实施例中，摩擦纳米发电机单元层2的侧壁上设置一个或多个通孔和覆盖在所述一个或多个通孔上的单向气流开关部件(未示出)。第一基底层1上的通孔和第一单向气流开关部件105的设置，其作用为，摩擦纳米发电机单元层处于踩压过程中，单向气流开关部件105处于关闭状态，当摩擦纳米发电机单元层处于分离过程时，单向气流开关部件105处于打开状态，可实现依靠气压差，使得摩擦纳米发电机单元层具有单向气流流入的特性。

封装层5为门字型的框架结构，封装层5与第二基底层3共同形成一个空腔结构，空气负离子产生单元层4设置在该空腔结构内。封装层5的顶面设置有一个或多个开孔，该开孔设置为允许空气通过而不允许水、灰尘等杂质通过。在本发明的一个实施例中，该开孔的直径可设置为1μm-5mm，封装层5的顶面还可涂敷防水材料层。第二基底层3设置有一个或多个通孔，所述一个或多个通孔上覆盖有第二单向气流开关部件105。在一个优选实施例中，封装层5的两个下端通过单向气流开关部件105与第二基底层3相连。该处的第二单向气流开关部件105具有与第一基底层中的第一气流开关部件相类似的气流流向特性。第二单向气流开关部件105工作状态为，当地板受压过程中处于打开状态，当地板未被踩踏即未受压过程中处于关闭状态。

在本发明的一个优选实施例中，单向气流开关部件105的典型结构设计如图2a与2b所示。图2a和2b展示了单向气流开关的基本结构原理和两种工作状态。图2a示出单向气流开关部件105处于打开状态示意图；图2b示出单向气流开关部件105处于关闭状态示意图。通过第一单向气流开关部件和第二单向气流开关部件的设置，本发明提供的地板本体可依靠气压差，实现气流的单向流动。即，所述空气负离子产生地板中的所有单向气流开关部件，其功能性构成，踩踏地板时释放地板内部产生的空气负离子，地板恢复时吸收外部的空气。

摩擦纳米发电机单元层2包括摩擦纳米发电机单元和柔性弹性密封单元104，摩擦摩擦纳米发电机单元包括上摩擦电极单元102和下摩擦电极单元103。本发明中，上摩擦电极单元102和下摩擦电极单元103均由摩擦起电层和贴附之上的电极层构成，上摩擦电极单元102的摩擦起电层和下摩擦电极单元103的摩擦起电层相对设置，并具有不同的摩擦起电特性，在接触摩擦时上下摩擦电极单元产生异号的摩擦电荷，通过静电感应作用对外输出电能，即，在地板受到踩踏过程中实现摩擦起电功能。其中摩擦起电层材料可以从摩擦发电机领域中进行选择配对，本发明实施例并不以此为限，常用的摩擦起电层材料为尼龙(pa)，聚氨酯(pu)，铜(cu)，铝(al)，银(ag)，金(au)，聚乙烯(pe)，聚对苯二甲酸(pet)，聚四氟乙烯(ptfe)，全氟乙烯丙烯共聚物(fep)，聚二甲基硅氧烷(pdms)，杜邦^tm生产的聚酰亚胺薄膜等。

在一些实施例中为了能够产生较大的能量输出，摩擦起电层的厚度优化为10nm至1mm。在一些实施例中，还可以在摩擦起电层表面进行微纳结构，化学基团等的表面修饰，从而增强电输出特性。

本实施例中，两层摩擦电极层相互接触分离运功，通过静电感应作用从而输出电能。对于摩擦纳米发电机单元而言，环境中的粉尘等因素会对其电输出特性造成严重的影响，为了实现与外部的尽量隔离，以及在外部踩踏作用下形成接触分离运动，本实施例中采用柔性弹性密封单元104。具体地，柔性弹性密封单元104围绕摩擦纳米发电机单元布置。相应的材料可以为天然橡胶，硅胶或者弹簧和密封材料的组合物。

本发明中，ac-dc电源管理模块可为ac-dc转换模块、ac-dc升压模块、ac-dc稳压模块或ac-dc升压稳压模块：当所述ac-dc电源管理模块为ac-dc转换模块时，所述电源管理模块包括整流二极管；当所述ac-dc电源管理模块为ac-dc升压模块时，所述电源管理模块包括串联的整流二极管和电容元件；当所述ac-dc电源管理模块为ac-dc稳压模块时，所述电源管理模块包括串联的整流二极管和稳压二极管；当所述ac-dc电源管理模块为ac-dc升压稳压模块时，所述ac-dc电源管理模块包括串联的整流二极管、电容元件和稳压二极管。

图3示出了当所述ac-dc电源管理模块为ac-dc升压稳压模块时，ac-dc电源管理模块106的电路图。本发明采用空气击穿产生空气负离子，然而采用空气击穿原理产生空气负离子，会存在以下问题：由于电压过高或电压极性的不正确，将导致击穿空气产生臭氧或空气正离子，这些都是不利于人体健康的元素，因此需将摩擦纳米发电机单元中转化的交流电能，管理形成直流的在额定电压范围内的高压电能。在本发明中，设计了一种可实现该功能的ac-dc升压稳压模块电路模型，如图3所示。该ac-dc升压稳压模块，包括整流二极管单元301，高压电容单元302和稳压二极管303。摩擦纳米发电机单元转化的交流电能u0通过图示中的交流输入可以转化为6u0的直流输出，通过选择稳压二极管303的反向截止电压u，可以控制直流输出端的输出电压大小不超过u。图示中只是本实施例的一种特殊情况，基于本机理的其他实施例亦属于本发明的范围。

本实施例中，所述的空气负离子产生地板还包括如图1所示的空气负离子产生单元层4，该空气负离子产生单元层4包括电极107。在一个实施例中，电极107包含由尖端电极构成的阵列。优选地尖端电极的尖端尺寸在10nm-1mm，其材料优选为碳纳米纤维，zno纳米线阵列，以及满足该尺寸要求的导电材料。在本实施例中需要注意的是，通过ac-dc电源管理模块转化的直流高压的负极必须与所述负离子产生单元层中的尖端电极阵列层电性相连。

本发明提供的自驱动空气负离子产生地板，能够在地板的生产过程中或现有地板上加工集成，具有轻质，廉价，安装方便，空气负离子产生效率高等特点，可以用于室内空气的净化，营造健康的工作生活环境。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。