可穿戴摩擦电纳米发电机、设备及其制备方法与流程

1.本申请涉及摩擦电纳米发电机技术领域，特别是涉及一种可穿戴摩擦电纳米发电机、设备及其制备方法。


背景技术：

2.摩擦电纳米发电机(triboelectric nanogenerator，teng)是一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。其具有体积小，能够将微弱的机械能转化为电能输出的特点。
3.在可穿戴应用领域，由于摩擦电纳米发电机的金属电极具有一定的硬度，对可穿戴器件的柔韧性具有较大的影响。例如，相关技术中，摩擦电纳米发电机的金属电极中包含金属铜箔，与可拉伸的聚合物摩擦层相比，金属铜箔上的应力分布更加集中，且金属材料在汗水侵蚀下通常不稳定，导致抗汗腐蚀能力差。这些问题严重限制了摩擦电纳米发电机在可穿戴领域的应用。


技术实现要素：

4.本申请实施例中提供了一种可穿戴摩擦电纳米发电机、设备及其制备方法，以利于解决现有技术中可穿戴摩擦电纳米发电机柔韧性较差的问题。
5.第一方面，本申请实施例提供了一种可穿戴摩擦电纳米发电机，包括：第一摩擦层和第二摩擦层，所述第一摩擦层依次包括电极层、粘连层、介电层和摩擦负极材料层，所述第二摩擦层依次包括摩擦正极材料层、介电层、粘连层和电极层，所述电极层为导电织物，所述导电织物包括非金属织物，所述非金属织物上聚合聚苯胺，所述第一摩擦层和第二摩擦层的位置关系被配置为：所述摩擦负极材料层和所述摩擦正极材料层相对设置，所述第一摩擦层和第二摩擦层可相对运动，当所述第一摩擦层和第二摩擦层可相对运动时，所述第一摩擦层和第二摩擦层之间产生电势差。
6.优选地，所述粘连层为聚己内酯，所述介电层为聚氨酯，所述摩擦负极材料层为聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物，所述摩擦正极材料层为尼龙。
7.优选地，所述非金属织物为尼龙、棉纶、腈纶、涤纶和/或纤维。
8.优选地，所述电极层的厚度为500
‑
600μm。
9.优选地，所述粘连层的厚度为10
‑
20μm。
10.优选地，所述介电层的厚度为20
‑
30μm。
11.优选地，所述摩擦负极材料层和/或摩擦正极材料层的厚度为20
‑
30μm。
12.第二方面，本申请实施例提供了一种可穿戴摩擦电纳米发电机的制备方法，包括：
13.将聚苯胺在非金属织物上进行原位聚合，获得电极层，所述电极层的基底为所述非金属织物；
14.在所述电极层上依次静电纺丝聚己内酯、聚氨酯和聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物，和/或在所述电极层上依次静电纺丝聚己内酯、聚氨酯和尼龙；
15.将所述静电纺丝获得的材料进行热压处理，获得第一摩擦层和/或第二摩擦层，所述第一摩擦层依次包括电极层、聚己内酯层、聚氨酯层和聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物层，所述第二摩擦层依次包括电极层、聚己内酯层、聚氨酯层和尼龙层。
16.第三方面，本申请实施例提供了一种呼吸监测设备，包括第一方面任一项所述第一摩擦层和第二摩擦层；
17.所述第一摩擦层和第二摩擦层的位置关系被配置为：当用户使用所述呼吸监测设备时，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层重叠设置组成摩擦电纳米发电机，且当用户的呼吸状态不同时，所述述第一摩擦层和所述第二摩擦层的相对运动状态不同，所述摩擦电纳米发电机输出不同的电信号。
18.第四方面，本申请实施例提供了一种信息传输设备，手套和触碰电极；
19.所述手套采用第一方面任一项所述的第一摩擦层制备，所述触碰电极采用第一方面任一项所述的第二摩擦层制备；或者，所述手套采用第一方面任一项所述的第二摩擦层制备，所述触碰电极采用第一方面任一项所述的第一摩擦层制备；
20.当用户使用时，用户佩戴所述手套，通过所述手套触摸所述触碰电极输出相应的电信号。
21.在本申请实施例中，以传统织物作为可穿戴摩擦电纳米发电机的电极层，使得可穿戴摩擦电纳米发电机具有很高的柔性，可以和普通织物一样折叠、拉伸或弯曲。
附图说明
22.为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本申请实施例提供的一种可穿戴摩擦电纳米发电机的结构示意图；
24.图2为本申请实施例提供的一种电镜扫描图；
25.图3为本申请实施例提供的一种可穿戴摩擦电纳米发电机的制备方法流程示意图；
26.图4为本申请实施例提供的一种呼吸监测设备的输出信号示意图；
27.图5为本申请实施例提供的一种信息传输设备的输出信号示意图；
28.图6为一种电阻性传感器引入接触电阻前后输出电压信号示意图；
29.图7本申请实施例提供的一种可穿戴摩擦电纳米发电机引入接触电阻前后输出电压信号示意图。
具体实施方式
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护
的范围。
31.图1为本申请实施例提供的一种可穿戴摩擦电纳米发电机的结构示意图，图2为本申请实施例提供的一种电镜扫描图，其中，图2(a)为非金属织物，图2(b)为聚合聚苯胺后的非金属织物，图2(c)为聚己内酯纳米纤维膜，图2(d)为聚氨酯纳米纤维膜，图2(e)聚四氟乙烯纳米纤维膜，图2(f)尼龙纳米纤维膜。如图1并结合图2所示，所述可穿戴摩擦电纳米发电机包括：第一摩擦层110和第二摩擦层120，所述第一摩擦层110依次包括电极层101、粘连层102、介电层103和摩擦负极材料层104，所述第一摩擦层110依次包括摩擦正极材料层105、介电层103、粘连层102和电极层101，所述电极层101为导电织物，所述导电织物包括非金属织物，所述非金属织物上聚合聚苯胺，通过在非金属织物上聚合聚苯胺，使得非金属织物形成具有导电性质的织物基底，具备导电性。
32.所述第一摩擦层110和第二摩擦层120的位置关系被配置为：所述摩擦负极材料层104和所述摩擦正极材料层105相对设置，所述第一摩擦层110和第二摩擦层120可相对运动，当所述第一摩擦层110和第二摩擦层120可相对运动时，所述第一摩擦层110和第二摩擦层120之间产生电势差。
33.在一种可选实施例中，所述非金属织物为尼龙、棉纶、腈纶、涤纶和/或纤维，所述电极层101的厚度为500
‑
600μm。
34.在一种可选实施例中，所述粘连层102为聚己内酯纳米纤维膜，具体地，可以为低熔点聚己内酯，其作为电极层101和介电层103之间的粘合剂，厚度可以为10
‑
20μm。
35.在一种可选实施例中，所述介电层103为聚氨酯纳米纤维膜，具体地，可以为热塑性聚氨酯，所述聚氨酯纳米纤维膜的纤维平均直径约400nm，所述介电层103的厚度为20
‑
30μm。
36.在一种可选实施例中，所述摩擦负极材料层104为聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物纳米纤维膜，所述聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物纤维膜的纤维平均直径约970nm，所述摩擦负极材料层104的厚度为20
‑
30μm。
37.在一种可选实施例中，所述摩擦正极材料层105为尼龙纳米纤维膜，所述尼龙纤维膜的纤维平均直径约120nm，所述摩擦正极材料层105的厚度为20
‑
30μm。
38.在本申请实施例中，以传统织物作为可穿戴摩擦电纳米发电机的电极层，使得可穿戴摩擦电纳米发电机具有很高的柔性，可以和普通织物一样折叠、拉伸或弯曲。
39.图3为本申请实施例提供的一种可穿戴摩擦电纳米发电机的制备方法流程示意图，如图3所示，其主要包括以下步骤。
40.步骤s301：将聚苯胺在非金属织物上进行原位聚合，获得电极层，所述电极层的基底为所述非金属织物。
41.步骤s302：在所述电极层上依次静电纺丝聚己内酯、聚氨酯和聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物，和/或在所述电极层上依次静电纺丝聚己内酯、聚氨酯和尼龙。
42.步骤s303：将所述静电纺丝获得的材料进行热压处理，获得第一摩擦层和/或第二摩擦层。
43.其中，所述第一摩擦层依次包括电极层、聚己内酯层、聚氨酯层和聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物层，所述第二摩擦层依次包括电极层、聚己内酯层、聚氨酯层和尼龙层。
44.具体地，所述聚己内酯层的制备环境温度为27
±
3℃，大气湿度为55
±
5％。在进行
静电纺丝时，聚合物(聚己内酯)溶液以0.5ml/h的恒定流速排出，注射器针头(聚合物溶液的喷射器)施加电压为12kv，纺丝距离为15cm，即聚合物溶液的喷射器距离接收极板15cm。
45.所述聚氨酯层的制备环境温度为25
±
3℃，大气湿度为42
±
5％，聚合物(聚氨酯)溶液以1ml/h的恒定流速排出，注射器针头(聚合物溶液的喷射器)施加电压为13kv，纺丝距离为15cm。
46.所述聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物层的制备环境温度为25
±
3℃，大气湿度为42
±
5％，聚合物(聚四氟乙烯或聚四氟乙烯衍生物)溶液以1ml/h的恒定流速排出，注射器针头(聚合物溶液的喷射器)施加电压为15kv，纺丝距离为15cm。
47.所述尼龙层的制备环境温度为24
±
3℃，大气湿度为47
±
5％，聚合物(尼龙)溶液以0.5ml/h的恒定流速排出，注射器针头(聚合物溶液的喷射器)施加电压为16kv，纺丝距离为15cm。
48.由于采用上述方法制备的第一摩擦层和第二摩擦层中的电极层均基于传统织物制备，将其组装为可穿戴摩擦电纳米发电机具有很高的柔性，可以和普通织物一样折叠、拉伸或弯曲。
49.本申请实施例提供的可穿戴摩擦电纳米发电机可应用于多种可穿戴领域。例如，利用该可穿戴摩擦电纳米发电机制备呼吸监测设备，可用于医疗检测。以下进行详细说明。
50.传统的呼吸监测通常基于口罩式的传感器，但是该方式需要患者长期佩戴口罩，容易引起患者的呼吸不畅。本申请实施例基于可穿戴摩擦电纳米发电机原理制备的呼吸监测设备包括第一摩擦层和第二摩擦层，当患者佩戴该呼吸监测设备时，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层重叠设置组成摩擦电纳米发电机。例如，第一摩擦层和第二摩擦层分别设置在弹性绷带的两端，患者将弹性绷带环绕在自己胸前，其中，第一摩擦层和第二摩擦层在患者胸前重叠设置，组成摩擦电纳米发电机。可理解，随着患者呼吸节奏的变化，患者胸腔的轮廓体积发生变化，进而引起绷带两端的第一摩擦层和第二摩擦层相对运动，输出电信号。当患者的呼吸节奏不同时，输出的电信号不同。
51.图4为本申请实施例提供的一种呼吸监测设备的输出信号示意图，如图4所示，患者佩戴所述呼吸监测设备时，正常呼吸(normal breathing)、深呼吸(deep breathing)和快速呼吸(rapid breathing)对应不同的信号输出，因此，可以基于输出信号判断患者的呼吸状态。
52.另外，为了避免呼吸长期停止造成的严重后果，可以采用设定告警阈值(warning threshold)的方式辅助报警。当输出的信号低于设定的告警阈值，且持续时间超过10s时，发出告警信号，例如闪烁指示灯或通过扬声器发出警报等，提醒医护人员紧急救援。
53.所述呼吸监测设备同样适用于护理重症患者或预防儿童溺水的情况。当然，也可以穿在运动员身上，评估运动员在运动过程中的生理信号以及身体运动学性能指标。在训练过程中，运动员的呼吸频率可以通过模拟数字转换电路和缓冲器及时检测并收集。无需连接任何的外部设备，使佩戴者的移动更加自然，具有一定的便携性和舒适性。
54.本申请实施例提供的可穿戴摩擦电纳米发电机可应用于实时通信。例如，对于佩戴呼吸面罩或不能说话的特殊患者，使用手指远程通信是一个重要的选择，例如霍金就是通过手指活动来进行通信交流。本申请实施例制备的可穿戴摩擦电纳米发电机制备的信息传输设备包括手套和触碰电极，其中，手套采用第一摩擦层制备，触碰电极采用第二摩擦层
制备。可理解，当手套佩戴在用户手上时，用户可以通过手套接触触碰电极进而输出相应的信号，实现通信。
55.为了实现更复杂的信息输出，还可以在手套的两个或两个手指上分别设置一个第一摩擦层，那么设置第一摩擦层的每个手指均可以作为一个信号输出源，进而实现更复杂的信号输出。
56.图5为本申请实施例提供的一种信息传输设备的输出信号示意图，如图5所示，该实施例包括5个信号输出源(每个实线代表一个信号输出源，对应于手套上的五个手指)，采用信号输出源之间的组合代表不同的信息输出。例如，将五条实线从下向上分别作为第一信号输出源、第二信号输出源、第三信号输出源、第四信号输出源和第五信号输出源，则当第一信号输出源存在信号输出，其它信号输出源不存在信号输出时，输出信号为10000；当第四信号输出源和第五信号输出源存在信号输出，其它信号输出源不存在信号输出时，输出信号为00011；当第一信号输出源和第三信号输出源存在信号输出，其它信号输出源不存在信号输出时，输出信号为10100。具有可穿戴性的摩擦电纳米发电机，可以实现实时通信，使电子通信技术更加的便利。当然，本领域技术人员可以对输出信号进行其它定义，本申请实施例对此不作限制。
57.另外，手套和触碰电极上的摩擦层也可以互换，例如，手套上设置第二摩擦层，触碰电极上设置第一摩擦层。
58.与传统电子设备的刚性连接不同，柔性电子设备在使用过程中容易引入接触电阻。对于电阻性传感器，当引入接触电阻后，会导致信号输出异常。在呼吸检测设备中，将严重威胁到被监护病人的生命安全。图6为一种电阻性传感器引入接触电阻前后输出电压信号示意图，如图6所示，电阻性传感器引入接触电阻(resistance increased)后，导致阈值(threshold)整体低于输出信号。该情况下，输出信号持续大于阈值，即使没有呼吸信号，系统也不会发生报警。
59.但是，基于本申请实施例提供的可穿戴摩擦电纳米发电机制备的设备，由于开路电压不会受到电路中附加电阻的干扰，与电阻性传感器相比自供电传感器在柔性电路的应用可靠性较高。图7本申请实施例提供的一种可穿戴摩擦电纳米发电机引入接触电阻前后输出电压信号示意图，如图7所示，接触电阻引入前后，输出信号变化不大，可以进行正常监测。
60.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
61.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。
62.本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
63.以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。