纳米发电单元、双通道呼吸系统及口罩的制作方法

本发明涉及发电技术领域，特别涉及一种纳米发电单元、双通道呼吸系统及口罩。

背景技术：

可穿戴技术的快速发展使我们能够开发大量的新型电子设备，如活动追踪器、高级纺织品、电子和医疗监测设备。然而，大多数电子设备都是由电池供电，需要频繁充电和大量人力进行维护。而且，随着能源驱动型社会的快速发展，环境颗粒物污染已经成为人类健康最为关键的威胁之一，其中，直径为2.5微米或更小的微颗粒物(pm2.5)是导致各种过敏和呼吸疾病的最重要因素。

但是，如何过滤微米到亚微米级的微颗粒物，长期以来是过滤设备设计的难点。

技术实现要素：

本发明提供了一种纳米发电单元、双通道呼吸系统及口罩，该纳米发电单元能够过滤吸入空气中的微米到亚微米级的微颗粒物。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种纳米发电单元，包括相对设置的第一摩擦组件和第二摩擦组件，其中，所述第一摩擦组件包括第一导电层和设置于所述第一导电层朝向第二摩擦组件一侧表面的第一摩擦层；所述第二摩擦组件包括与所述第一导电层相对设置的第二导电层和设置于所述第二导电层朝向所述第一摩擦组件一侧表面的第二摩擦层；所述第一摩擦层背离所述第一导电层的一侧的表面材料与所述第二摩擦层背离所述第二导电层的一侧的表面材料之间具有摩擦电极序差异；其中：

所述第一摩擦组件与第二摩擦组件之间具有分离工位和压合工位；当所述第一摩擦组件和第二摩擦组件处于压合工位时，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间相互摩擦接触，当所述第一摩擦组件和第二摩擦组件处于分离工位时，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层分离；

所述第一摩擦组件和所述第二摩擦组件具有多孔透气结构。

上述摩擦纳米单元包括相对设置的第一摩擦组件和第二摩擦组件，第一摩擦组件包括第一导电层和第一摩擦层，第二摩擦组件包括第二导电层和第二摩擦层；第一摩擦组件与第二摩擦组件之间具有分离工位和压合工位；当第一摩擦组件和第二摩擦组件处于压合工位时，第一摩擦层和第二摩擦层之间相互摩擦接触，当第一摩擦组件和第二摩擦组件处于分离工位时，第一摩擦层与第二摩擦层分离。在外力作用下使得第一摩擦组件与第二摩擦组件在分离工位和压合工位之间切换以产生摩擦，由于第一摩擦层背离第一导电层的一侧的表面材料与第二摩擦层背离第二导电层的一侧的表面材料之间具有摩擦电极序差异,第一摩擦层的表面材料与第二摩擦层的表面材料在摩擦电极序中处于不同的位置，即，两种材料之间具有不同的摩擦电特性，从而使得相邻的第一摩擦层与第二摩擦层在发生摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。因此第一摩擦层和第二摩擦层能够将摩擦转变为电信号，电信号通过第一导电层和第二导电层输出，结合第一摩擦组件和第二摩擦组件具有的多孔透气结构，可应用于口罩和其它过滤装置中对空气中微米到亚微米级的颗粒物进行过滤。

优选地，所述第一摩擦层为多级纳米结构薄膜，第二摩擦层为微孔结构薄膜。

优选地，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层均为高分子薄膜。

优选地，所述第二摩擦层采用氟化乙丙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚二甲基硅氧烷制成。

优选地，所述第一摩擦层采用纤维素纸基材料制成。

优选地，所述第一摩擦层由纤维素微米纤维及纤维素纳米纤维层叠构建而成，且具有微纳米孔。

优选地，所述第一摩擦层具有的微纳米孔的孔径小于微米/亚微米级。

优选地，所述第二摩擦层具有的微纳米孔呈阵列排列，且所述微纳米孔的孔径为50μm～1000μm。

优选地，所述第一摩擦层和/或所述第二摩擦层为柔性薄膜。

优选地，所述第一导电层和所述第二导电层均为薄膜电极。

优选地，所述第一导电层和所述第二导电层采用银薄层制成。

优选地，所述第一导电层的厚度为80nm～500nm；所述第二导电层的厚度为150nm～500nm。

优选地，所述薄膜电极为柔性电极。

优选地，所述第一导电层为具有微纳米孔结构，所述第二导电层具有微孔结构。

优选地，所述第一导电层具有的微纳米孔的孔径小于微米/亚微米级，且所述第二导电层具有的微孔结构的孔径为50μm～1000μm。

优选地，所述第一导电层采用具有纳米级的棒状或纤维状结构材料制成。

本发明还提供了一种双通道呼吸系统，包括呼吸道骨架及上述技术方案中提供的任意一种纳米发电单元，所述呼吸道骨架内具有通气通道，沿通气方向，所述通气通道具有纳米发电单元安装部和通道划分部，所述纳米发电单元安装于所述纳米发电单元安装部内，且所述纳米发电单元的第一摩擦组件和第二摩擦组件沿通气方向排列；所述通道划分部内具有沿透气方向延伸的隔板以将所述通道划分部分隔成吸气通道以及呼气通道，其中：

所述吸气通道内设有吸气挡板，当所述吸气通道处于打开状态时，所述吸气通道与所述纳米发电单元安装部连通；所述吸气通道处于关闭状态时，所述吸气通道与所述纳米发电单元安装部之间通过吸气挡板隔断；

所述呼气通道内具有呼气挡板，且所述骨架上设有与骨架外部空间连通的透气口；当所述呼气挡板处于打开状态时，所述呼气通道与所述纳米发电单元安装部之间通过所述呼气挡板隔断，所述呼气通道与所述透气口连通，且所述呼气挡板与所述纳米发电单元相抵以使所述第一摩擦组件和第二摩擦组件处于压合工位；当所述呼气挡板处于关闭状态时，所述呼气通道与所述纳米发电单元安装部之间通过所述呼气挡板隔断，所述纳米发电单元安装部与所述透气口连通，且所述呼气挡板与所述纳米发电单元之间分离以使所述第一摩擦组件和第二摩擦组件处于分离工位；

当吸气时，吸气挡板处于打开状态，呼气挡板处于关闭状态；呼气时，吸气挡板处于关闭状态，呼气挡板处于打开状态。

优选地，所述吸气挡板与所述呼吸道骨架之间设有用于向吸气挡板提供使其趋于关闭状态的作用力的第一弹性复位件，所述呼气挡板与所述呼吸道骨架之间设有用于向呼气挡板提供使其处于关闭状态的作用力的第二弹性复位件。

优选地，所述第一弹性复位件为弹簧，和/或，所述第二弹性复位件为弹簧。

优选地，还包括设置于所述第一导电层和第二导电层之间用于检测所述第一导电层和第二导电层之间电信号的传感器。

本发明还提供了一种口罩，包括：

上述技术方案中提供的任意一种纳米发电单元；或者，

上述技术方案中提供的任意一种双通道呼吸系统。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种纳米发电单元的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的双通道呼吸系统的结构示意图；

图3为本发明提供的一种口罩的结构示意图；

图4a-4d为本发明实施例提供的口罩中纳米发电单元的发电原理示意图；

图标：

100-纳米发电单元；110-第一导电层；120-第一摩擦层；130-第二摩擦层；140-第二导电层；210-呼吸道骨架；220-隔板；230-吸气通道；240-呼气通道；231-吸气挡板；241-呼气挡板；232-第一弹性复位件；242-第二弹性复位件；243-透气口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种纳米发电单元100，如图1所示，包括相对设置的第一摩擦组件和第二摩擦组件，其中，第一摩擦组件包括第一导电层110和设置于第一导电层110朝向第二摩擦组件一侧表面的第一摩擦层120；第二摩擦组件包括与第一导电层110相对设置的第二导电层140和设置于第二导电层140朝向第一摩擦组件一侧表面的第二摩擦层130；第一摩擦层120背离第一导电层110的一侧的表面材料与第二摩擦层130背离第二导电层140的一侧的表面材料之间具有摩擦电极序差异；其中：

第一摩擦组件与第二摩擦组件之间具有分离工位和压合工位；当第一摩擦组件和第二摩擦组件处于压合工位时，第一摩擦层120和第二摩擦层130之间相互摩擦接触，当第一摩擦组件和第二摩擦组件处于分离工位时，第一摩擦层120与第二摩擦层130分离；

第一摩擦组件和第二摩擦组件具有多孔透气结构。

上述摩擦纳米单元包括相对设置的第一摩擦组件和第二摩擦组件，第一摩擦组件包括第一导电层110和第一摩擦层120，第二摩擦组件包括第二导电层140和第二摩擦层130；第一摩擦组件与第二摩擦组件之间具有分离工位和压合工位；当第一摩擦组件和第二摩擦组件处于压合工位时，第一摩擦层120和第二摩擦层130之间相互摩擦接触，当第一摩擦组件和第二摩擦组件处于分离工位时，第一摩擦层120与第二摩擦层130分离。在外力作用下使得第一摩擦组件与第二摩擦组件在分离工位和压合工位之间切换以产生摩擦，由于第一摩擦层120背离第一导电层110的一侧的表面材料与第二摩擦层130背离第二导电层140的一侧的表面材料之间具有摩擦电极序差异,第一摩擦层120的表面材料与第二摩擦层130的表面材料在摩擦电极序中处于不同的位置，即，两种材料之间具有不同的摩擦电特性，从而使得相邻的第一摩擦层120与第二摩擦层130在发生摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。因此第一摩擦层120和第二摩擦层130能够将摩擦转变为电信号，电信号通过第一导电层110和第二导电层140输出，结合第一摩擦组件和第二摩擦组件具有的多孔透气结构，可应用于口罩和其它过滤装置中对空气中微米到亚微米级的颗粒物进行过滤。

本发明实施例中的“摩擦电极序”，是根据材料对电荷的吸引程度而进行的排序，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。

具体地，第一摩擦层120为多级纳米结构薄膜，第二摩擦层130为微孔结构薄膜。

第一摩擦层120和第二摩擦层130均可以为薄膜状结构，为了获得多级纳米结构以及提高纳米发电单元100的发电量，第一摩擦层120采用多级纳米结构薄膜、第二摩擦层130采用微孔结构薄膜，可以增大第一摩擦层120和第二摩擦层130的接触表面积，进而增大摩擦面积和单位电量。多级纳米结构可以为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构或上述结构的组合结构，以及上述结构形成的阵列。

具体地，第一摩擦层120和第二摩擦层130均为高分子薄膜。

第一摩擦层120和第二摩擦层130均可以为薄膜状结构，并且可以均为高分子薄膜，并且第一摩擦层120和第二摩擦层130的厚度均为20μm～300μm，具体厚度可以为20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、210μm、220μm、230μm、240μm、250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm。

具体地，第二摩擦层130采用氟化乙丙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚二甲基硅氧烷制成。

第二摩擦层130可以由摩擦序中相对第一摩擦层120而言电负性较强的薄膜材料构成，如：氟化乙丙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚二甲基硅氧烷等材料。

具体地，第一摩擦层120采用纤维素纸基材料制成。

第一摩擦层120为多级纳米结构薄膜，是采用纤维素纸基材料制成的多孔结构，孔径小于微米/亚微米，包含纤维素微/纳米纤维，如：由各种孔径适宜的纤维素滤纸和纤维素纳米纤维共同构建。

具体地，第一摩擦层120由纤维素微米纤维及纤维素纳米纤维层叠构建而成，且具有微纳米孔。

具体地，第一摩擦层120具有的微纳米孔的孔径小于微米/亚微米级。

具体地，第二摩擦层130具有的微纳米孔呈阵列排列，且微纳米孔的孔径为50μm～1000μm。

第一摩擦层120和第二摩擦层130具有微纳米孔可以增大第一摩擦层120和第二摩擦层130的接触表面积，进而增大摩擦面积和单位电量。微纳米孔的孔径为50μm～1000μm，具体孔径可以为50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm、950μm、1000μm。

具体地，第一摩擦层120和/或第二摩擦层130为柔性薄膜。

具体地，第一导电层110和第二导电层140均为薄膜电极。

第一导电层110和第二导电层140可以分别通过镀膜工艺形成于第一摩擦层120和第二摩擦层130表面。

具体地，第一导电层110和第二导电层140采用银薄层制成。

第一摩擦层120直接作为沉积模板构建银薄层，形成纳米银结构薄层，同时作为第一导电层110和抗菌层。

第一导电层110可以采用金属银或纳米银构成，第二导电层140可以采用氧化铟锡、纳米银、碳纳米管、碳纳米纤维或石墨烯制成。

具体地，第一导电层110的厚度为80nm～500nm；第二导电层140的厚度为150nm～500nm。

第一导电层110的厚度为80nm～500nm，具体厚度可以为80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm、200nm、220nm、240nm、260nm、280nm、300nm、320nm、340nm、360nm、380nm、400nm、420nm、440nm、460nm、480nm、500nm。

第二导电层140的厚度为150nm～500nm,具体厚度可以为150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm。

具体地，薄膜电极为柔性电极。

第一导电层110和第二导电层140均为薄膜电极且薄膜电极为采用柔性电极，外部作用力更容易使其动作从而推动第一摩擦层120和第二摩擦层130摩擦接触产生接触电荷。

具体地，第一导电层110为具有微纳米孔结构，第二导电层140具有微孔结构。

具体地，第一导电层110具有的微纳米孔的孔径小于微米/亚微米级，且第二导电层140具有的微孔结构的孔径为50μm～1000μm。

第二导电层140具有的微孔的孔径为50μm～1000μm，具体孔径可以为50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm、950μm、1000μm。

具体地，第一导电层110采用具有纳米级的棒状或纤维状结构材料制成。

本发明还提供了一种双通道呼吸系统，如图2所示，包括呼吸道骨架210及上述技术方案中提供的任意一种纳米发电单元100，呼吸道骨架210内具有通气通道，沿通气方向，通气通道具有纳米发电单元100安装部和通道划分部，纳米发电单元100安装于纳米发电单元100安装部内，且纳米发电单元100的第一摩擦组件和第二摩擦组件沿通气方向排列；通道划分部内具有沿透气方向延伸的隔板220以将通道划分部分隔成吸气通道230以及呼气通道240，其中：

吸气通道230内设有吸气挡板231，当吸气通道230处于打开状态时，吸气通道230与纳米发电单元100安装部连通；吸气通道230处于关闭状态时，吸气通道230与纳米发电单元100安装部之间通过吸气挡板231隔断；

呼气通道240内具有呼气挡板241，且骨架上设有与骨架外部空间连通的透气口243；当呼气挡板241处于打开状态时，呼气通道240与纳米发电单元100安装部之间通过呼气挡板241隔断，呼气通道240与透气口243连通，且呼气挡板241与纳米发电单元100相抵以使第一摩擦组件和第二摩擦组件处于压合工位；当呼气挡板241处于关闭状态时，呼气通道240与纳米发电单元100安装部之间通过呼气挡板241隔断，纳米发电单元100安装部与透气口243连通，且呼气挡板241与纳米发电单元100之间分离以使第一摩擦组件和第二摩擦组件处于分离工位；

当吸气时，吸气挡板231处于打开状态，呼气挡板241处于关闭状态；呼气时，吸气挡板231处于关闭状态，呼气挡板241处于打开状态。

上述双通道呼吸系统中呼吸道骨架210、铰链及呼吸挡板可以由亚克力、聚乙烯及聚丙烯等塑料制备，纳米发电单元100仅与吸气通道230相连，当吸气时，仅有吸气挡板231打开，此时只有吸入空气通过；当呼气时，仅有呼气挡板241打开，此时只有呼出气体通过，因此，呼气和吸气能够在呼气通道240和吸气通道230内独立流通而互不干扰，所以呼/吸气能够独立完成。当呼气时，呼气挡板241处于打开状态，呼气通道240与纳米发电单元100安装部之间通过呼气挡板241隔断，呼气通道240与透气口243连通，呼出的空气直接通过透气口243从双通道呼吸系统中放出，且呼出气体呼气能够压缩纳米发电单元100使第一摩擦组件和第二摩擦组件处于压合工位，第一摩擦层120和第二摩擦层130之间相互摩擦接触，并将摩擦转变为电信号，电信号通过第一导电层110和第二导电层140输出；呼气完成后呼气挡板241恢复关闭状态，呼气通道240与纳米发电单元100安装部之间通过呼气挡板241隔断，此时呼气挡板241与纳米发电单元100之间分离以使第一摩擦组件和第二摩擦组件处于分离工位，且纳米发电单元100安装部与透气口243连通；当吸气时，吸气通道230处于打开状态，吸气通道230与纳米发电单元100安装部连通，空气吸入时，呼气阶段第一摩擦层120和第二摩擦层130之间相互摩擦接触并将摩擦转变为的电信号通过第一导电层110和第二导电层140输出后，结合第一摩擦层120和第二摩擦层130的微纳米孔结构和第一导电层110和第二导电层140的银薄层，能够过滤空气中的微颗粒物并对空气进行杀菌处理，空气经纳米发电单元100过滤杀菌后吸入。

具体地，吸气挡板231与呼吸道骨架210之间设有用于向吸气挡板231提供使其趋于关闭状态的作用力的第一弹性复位件232，呼气挡板241与呼吸道骨架210之间设有用于向呼气挡板241提供使其处于关闭状态的作用力的第二弹性复位件242。

第一弹性复位件232和第二弹性复位件242与吸气挡板231和呼气挡板241连接，用于呼吸时调整挡板位置。

具体地，第一弹性复位件232为弹簧，和/或，第二弹性复位件242为弹簧。

具体地，还包括设置于第一导电层110和第二导电层140之间用于检测第一导电层110和第二导电层140之间电信号的传感器。

通过传感器检测纳米发电单元100产生的电信号来进行呼吸监控。

本发明还提供了一种口罩，如图3所示，包括：

上述技术方案中提供的任意一种纳米发电单元100；或者，

上述技术方案中提供的任意一种双通道呼吸系统。

纳米发电单元100在有气体流过时会受到外力f作用，此时纳米发电单元100中的第一摩擦层120和第二摩擦层130摩擦接触，第一摩擦层120和第二摩擦层130将摩擦转变为电信号，因此纳米发电单元100能够将受到的外力f转换为电能，结合第一摩擦层120和第二摩擦层130的微纳米孔结构和第一导电层110和第二导电层140的银薄层，能够去除气体中的微颗粒物(pm2.5)及杀菌，由于纳米发电单元100能够将外界输入的外力f转换为电能，可在口罩中设置呼吸传感器，以实现对呼吸状况的监测，此外由于纳米发电单元100能够将外界输入的外力f转换为电能，因此可以通过纳米发电单元100代替电池，实现呼吸传感器自供电，解决了电池使用寿命有限、更换及回收难度大的问题，因而上述口罩在除霾抗菌的同时又能自供电监测呼吸状况。

上述口罩中，呼气能够压缩纳米发电单元100，使得第一摩擦层120和第二摩擦层130相互接触，而吸气则释放纳米发电单元100，使第一摩擦层120和第二摩擦层130相互分离，因此，呼吸可以驱动纳米发电单元100的第一摩擦层120和第二摩擦层130不断接触分离，产生电信号能够通过第一导电层110和第二导电层140来传导。在不同的呼吸强度和频率驱动下，会产生不同的电信号，产生的电信号可以供给呼吸传感器，从而自供电进行呼吸频率和呼吸强度监测。

下面结合附图4a-4d对上述口罩中纳米发电单元100的摩擦发电原理进行说明：

如图4a所示，纳米发电单元100的第一摩擦层120和第二摩擦层130处于接触状态，并且第一摩擦层120带有正电荷、第二摩擦层130带有负电荷。

如图4b所示，当纳米发电单元100在呼气外力f的作用下分离时，相邻的第一摩擦层120和第二摩擦层130逐渐分离且两摩擦层之间的电势差逐渐增大，为平衡两摩擦面之间的电势差，电子e由与第二摩擦层130电连接的第二导电层140流向与第一摩擦层120电连接的第一导电层110，从而形成正向电流。当相邻纳米发电单元100的摩擦面之间的间距稳定时电子停止流动，此时，两摩擦面之间的电势差平衡，如图4c所示。如图4d所示，当两个纳米发电单元100的第一摩擦层120和第二摩擦层130在呼吸外力f作用下互相靠拢时，两摩擦面之间的电势差逐渐减小，为了平衡两摩擦面之间的电势差，电子e由第一导电层110流向第二导电层140，直到两摩擦面完全接触，从而形成反向电流。

纳米发电单元100的第一摩擦层120，包括微纳米孔，其孔径小于微米/亚微米，因而不仅可以发电，还能够将吸入空气中的微颗粒物进行过滤。同时，第一导电层110具有银薄层，能够将微颗粒物中的细菌进行杀灭。所以，第一摩擦层120和第一导电层110能够达到除霾抗菌的效果。口罩包含纳米发电单元100及双通道呼吸系统的协同作用，因而在除霾抗菌的同时，也能自供电呼吸监测。

本发明提供的口罩能够将除颗粒物、杀菌及呼吸监控功能集于一体，并且实现自驱动。而且本发明提供的口罩制备过程简单、环保高效且普遍适用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。