一种粗糙石墨烯摩擦发电面料及其制造方法与流程

本发明涉及电气装置技术领域，尤其涉及一种粗糙石墨烯摩擦发电面料及其制造方法。

背景技术：

摩擦发电机是将机械能转化为电能的有效工具，并可作为电源为设备提供电能，有巨大的应用潜力。

摩擦发电机具有输出电压高、绿色环保、安全性好、体积质量小、成本低等优点。在摩擦发电机的设计过程中，电极材料的选择和形貌设计是影响摩擦发电机性能的关键因素。三维结构的石墨烯复合材料具有大的比表面积和优异的电荷传输能力，而且其特殊的三维竖直结构还可增加接触面积，因此可以作为摩擦发电机的优良电极，但是目前尚未有石墨烯复合材料用于摩擦发电机电极的报道。

并且，现在还没有真正将这些研究成果应用到人们平时穿着的衣物上，所有现有的摩擦发电装置都是要集成在其它的载体上，比较自行车、假肢、鞋底，不仅成本较高，很多时间也会增加人体负担，适用范围很窄，很大程度上阻碍了这项技术的推广应用。

因此，市面上急需一种发电效率高、重量轻、工艺绿色环保、成本较低的粗糙石墨烯摩擦发电面料及其制造方法。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种发电效率高、重量轻、工艺绿色环保、成本较低的粗糙石墨烯摩擦发电面料制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种粗糙石墨烯摩擦发电面料的制造方法，包括以下步骤：

1)预准备

①原材料准备：按重量份准备聚酯纤维300份、玻璃纤维5份-8份、足量odpa/pmda共聚pmr聚酰亚胺树脂、足量氧化铟、足量氧化锡；

②设备及辅材：准备射频等离子体增强化学气相沉积装置、足量氢气、足量乙炔；

2)粗糙石墨烯的制备

①将阶段1)步骤①准备的玻璃纤维放置于阶段1)步骤②准备的射频等离子体增强化学气相沉积装置工作区域内，将工作区域抽真空至压力1×10^-1pa-1×10^-2pa，然后在工作区域内以8sccm-10sccm的流速通入氢气，将工作区域加热至860℃-870℃并保持6min-7min；

②将射频等离子体增强化学气相沉积装置的射频电源功率调节至200w，电离氢气产生等离子体，保持2.5min-3min，获得还原玻璃纤维；

③将阶段1)步骤②准备的乙炔、氢气以体积比3:1的比例混合均匀后，以4sccm-5sccm的流速通入混合气体，同时调节射频电源的功率为290w-320w，保持1.5h-2h，然后关闭射频电源，停止通入气体和加热，让工作区域自然冷却至室温后，释压至大气压，取出处理好的还原玻璃纤维，获得粗糙石墨烯硅基复合纤维；

3)内层的制备

①将阶段1)步骤①准备的100份-120份聚酯纤维与阶段2)步骤③获得的粗糙石墨烯硅基复合纤维均匀混纺成均布网孔的网格状布料，网孔间距2mm-3mm，网孔直径0.5mm-0.8mm，获得待处理布料，布料分为a、b两面；

②以阶段1)步骤①准备的氧化铟：氧化锡按质量比9：1的比例混配的混合物为原料，在步骤①获得的待处理布料的a表面蒸镀均衡性ito膜，膜层厚度50nm-100nm；

4)外层的制备

①将阶段1)步骤①准备的剩余聚酯纤维纺织成密织布料；

②以阶段1)步骤①准备的odpa/pmda共聚pmr聚酰亚胺树脂为整理液材料，对步骤①获得的密织布料进行浸润整理处理，获得整理后布料，整理后布料分为c、d两面；

③以阶段1)步骤①准备的氧化铟：氧化锡按质量比9：1的比例混配的混合物为原料，在步骤②获得的预整理织物的c表面蒸镀均衡性ito膜，膜层厚度50nm-100nm；

5)摩擦发电面料的配装方法包括以下步骤：

①将完成表面蒸镀的外层和内层整合，将上述步骤中两层织物未进行蒸镀处理的b面和d面相对贴合组装，再将通过导线将充电电池的正、负两极分别与内层a面的ito导电膜和外层c面的ito导电膜连接，即获得所需粗糙石墨烯摩擦发电面料。

一种粗糙石墨烯摩擦发电面料，该粗糙石墨烯摩擦发电面料由外层、内层和充电电池组成，外层由ito导电膜和由经odpa/pmda共聚pmr聚酰亚胺树脂整理的聚酯纤维制成的外表层整合固化而成，内层由ito导电膜和内衬层整合固化而成，内衬层具体由聚酯纤维和生长有粗糙石墨烯的硅基纤维混纺而成，充电电池的正、负两极分别与内层的ito导电膜和外层的ito导电膜连接。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：(1)本研究通过等离子体化学气相沉积工艺制备出具有高比表面积、相对独立竖直石墨烯单元、低薄膜电阻的粗糙表面的石墨烯膜，是一种优良的电极材料。更重要的是，基于粗糙表面的石墨烯膜电极构建的摩擦纳米发电机具有稳定的输出电压和电流，具有良好的应用效果。(2)本发明所公开的摩擦发电织物其工艺路线是在现有成熟工艺的工艺路线基础上简单增加整合而成，因而与现有生产线能实现简单整合，制造工艺简单，成本低廉，能很方便地进行大规模生产的应用，同时本发明还具有极好的耐久性和可加工性，可轻松融入其他产品的设计当中。(3)本发明最外层的两面都整合有ito薄膜，且外层的基体纤维均为聚酯纤维，因此本发明还具有防水、耐腐蚀的性能。因此，本发明具有发电效率高、重量轻、工艺绿色环保、成本较低的特性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：ito导电膜1、外表层2、内衬层3。

具体实施方式

本发明的工作原理是：最初，在没有任何压力的情况下，聚酰亚胺层和粗糙石墨烯硅基复合纤维表面无电荷。当摩擦力施加到本面料上时，聚酰亚胺层与粗糙石墨烯硅基复合纤维相互靠近并接触，电子从粗糙石墨烯硅基复合纤维转移到聚酰亚胺层表面使其带负电，相应的粗糙石墨烯硅基复合纤维由于电子流失而带正电。由于产生的表面电荷几乎都在同一个平面，在聚酰亚胺层与粗糙石墨烯硅基复合纤维之间产生的静电电位差很小，无电信号。当压力释放时，装置将恢复到原来的位置。聚酰亚胺层和粗糙石墨烯硅基复合纤维表面分离，在聚酰亚胺层和粗糙石墨烯硅基复合纤维之间就会产生一个较大的电位差，从而实现电能的收集。

实施例1：

如图1所示的一种粗糙石墨烯摩擦发电面料，该粗糙石墨烯摩擦发电面料由外层、内层和充电电池组成，外层由ito导电膜1和由经odpa/pmda共聚pmr聚酰亚胺树脂整理的聚酯纤维制成的外表层2整合固化而成，内层由ito导电膜1和内衬层3整合固化而成，内衬层3具体由聚酯纤维和生长有粗糙石墨烯的硅基纤维混纺而成，充电电池的正、负两极分别与内层的ito导电膜1和外层的ito导电膜1连接；

本实施例的制造方法包括以下步骤：

1)预准备

①原材料准备：按重量份准备聚酯纤维300份、玻璃纤维5份-8份、足量odpa/pmda共聚pmr聚酰亚胺树脂、足量氧化铟、足量氧化锡；

②设备及辅材：准备射频等离子体增强化学气相沉积装置、足量氢气、足量乙炔；

2)粗糙石墨烯的制备

①将阶段1)步骤①准备的玻璃纤维放置于阶段1)步骤②准备的射频等离子体增强化学气相沉积装置工作区域内，将工作区域抽真空至压力1×10^-1pa-1×10^-2pa，然后在工作区域内以8sccm-10sccm的流速通入氢气，将工作区域加热至860℃-870℃并保持6min-7min；

②将射频等离子体增强化学气相沉积装置的射频电源功率调节至200w，电离氢气产生等离子体，保持2.5min-3min，获得还原玻璃纤维；

③将阶段1)步骤②准备的乙炔、氢气以体积比3:1的比例混合均匀后，以4sccm-5sccm的流速通入混合气体，同时调节射频电源的功率为290w-320w，保持1.5h-2h，然后关闭射频电源，停止通入气体和加热，让工作区域自然冷却至室温后，释压至大气压，取出处理好的还原玻璃纤维，获得粗糙石墨烯硅基复合纤维；

3)内层的制备

①将阶段1)步骤①准备的100份-120份聚酯纤维与阶段2)步骤③获得的粗糙石墨烯硅基复合纤维均匀混纺成均布网孔的网格状布料，网孔间距2mm-3mm，网孔直径0.5mm-0.8mm，获得待处理布料，布料分为a、b两面；

②以阶段1)步骤①准备的氧化铟：氧化锡按质量比9：1的比例混配的混合物为原料，在步骤①获得的待处理布料的a表面蒸镀均衡性ito膜，膜层厚度50nm-100nm；

4)外层的制备

①将阶段1)步骤①准备的剩余聚酯纤维纺织成密织布料；

②以阶段1)步骤①准备的odpa/pmda共聚pmr聚酰亚胺树脂为整理液材料，对步骤①获得的密织布料进行浸润整理处理，获得整理后布料，整理后布料分为c、d两面；

③以阶段1)步骤①准备的氧化铟：氧化锡按质量比9：1的比例混配的混合物为原料，在步骤②获得的预整理织物的c表面蒸镀均衡性ito膜，膜层厚度50nm-100nm；

5)摩擦发电面料的配装方法包括以下步骤：

①将完成表面蒸镀的外层和内层整合，将上述步骤中两层织物未进行蒸镀处理的b面和d面相对贴合组装，再将通过导线将充电电池的正、负两极分别与内层a面的ito导电膜1和外层c面的ito导电膜1连接，即获得所需粗糙石墨烯摩擦发电面料。

根据本实施例生产的摩擦发电织物，穿着于人体时其重量与普通运动服并无明显差异，且透气性仍良好，在人体剧烈运动时(如慢跑健身时)，其开路电压可达25v，短路电流可达0.85μa，下同。

实施例2：

整体与实施例1一致，差异之处在于：

①原材料准备：按重量份准备棉纤维线100g、硅纤维1g、足量聚二甲基硅氧烷、足量n，n-亚甲基双丙烯酰胺、足量氧化铟、足量氧化锡、聚酯纤维250g；

②将步骤①准备的棉纤维线、硅纤维均匀混纺成均布网孔的网格状布料，网孔间距3mm，网孔直径0.5mm，获得待整理布料，布料分为a、b两面；

实施例3：

整体与实施例1一致，差异之处在于：

①原材料准备：按重量份准备棉纤维线100g、硅纤维3g、足量聚二甲基硅氧烷、足量n，n-亚甲基双丙烯酰胺、足量氧化铟、足量氧化锡、聚酯纤维200g；

②将步骤①准备的棉纤维线、硅纤维均匀混纺成均布网孔的网格状布料，网孔间距2mm，网孔直径0.8mm，获得待整理布料，布料分为a、b两面；

对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业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。