一种摩擦发电薄膜及制备方法与摩擦发电器件与流程

文档序号：23419464发布日期：2020-12-25 11:41阅读：90来源：国知局

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，尤其涉及一种摩擦发电薄膜及制备方法与摩擦发电器件。

背景技术：

能源问题一直是人类社会关注的热点问题之一，随着可用的化石能源不断消耗，开发绿色的新能源也变得越发紧迫。

摩擦纳米发电机自2012年被首次报道以来，因其转化效率高、制造成本低、结构简单、灵活性高、应用范围广等优点获得快速的发展。摩擦电发电机能依靠摩擦点电势的充电泵效应，把极其微小的机械能转化为电能。摩擦纳米发电机在微纳能源、自驱动传感器、蓝色能源以及高压电源领域展示了良好的应用和商用价值。

对于摩擦纳米发电机而言，摩擦副材料主导着发电机的性能。通过对摩擦副材料进行改进，可以实现摩擦纳米发电机的性能提升。然而，现有摩擦副材料的短路电流和开路电压仍然较小，实际使用会受限，摩擦发电性能有待提高。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种摩擦发电薄膜及制备方法与摩擦发电器件，旨在解决现有摩擦副材料的短路电流和开路电压仍然较小，摩擦发电性能有待提高的问题。

一种摩擦发电薄膜的制备方法，其中，包括：

将掺杂材料与聚合物颗粒混合，得到混合料；

将所述混合料加入到注塑装置中进行注塑成型，得到摩擦发电薄膜。

所述的摩擦发电薄膜的制备方法，其中，所述将掺杂材料与聚合物颗粒混合包括：

将所述聚合物颗粒进行干燥，得到干燥后的聚合物颗粒；

将掺杂材料加入到干燥后的聚合物颗粒中，搅拌混合均匀。

所述的摩擦发电薄膜的制备方法，其中，所述干燥的温度为50～100℃。

所述的摩擦发电薄膜的制备方法，其中，所述聚合物包括：聚四氟乙烯、聚氨脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、热塑性弹性体、热塑性聚酯弹性体、聚苯乙烯、聚氯乙烯、热塑性硫化橡胶、聚丙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚醚醚酮、三元乙丙橡胶中的一种或多种。

所述的摩擦发电薄膜的制备方法，其中，所述掺杂材料包括：石墨烯纳米片、二硫化钼、二硫化钨、石墨、金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、硒中的一种或多种。

所述的摩擦发电薄膜的制备方法，其中，所述石墨烯纳米片的厚度为6-8nm，所述石墨烯纳米片的宽度为15μm。

所述的摩擦发电薄膜的制备方法，其中，所述混合料中，所述掺杂材料的质量百分数为0.001～0.1％。

所述的摩擦发电薄膜的制备方法，其中，所述注塑成型过程中，注塑温度为220-350℃，注塑压力为3-10mpa，注塑保压时间为2-6s，射出速度为10-50mm/s。

一种摩擦发电薄膜，其中，采用如上所述摩擦发电薄膜的制备方法制备得到。

一种摩擦发电器件，其中，包括：如上所述摩擦发电薄膜。

有益效果：本发明通过注塑成型的方法将掺杂材料掺杂在聚合物材料中，从而制备得到摩擦发电薄膜。本发明所述的摩擦发电薄膜的制备方法具有操作简单，工艺流程短的特点，并且能够实现所制备得到的摩擦发电薄膜的短路电流和开路电压等摩擦发电性能的提高。

附图说明

图1为本发明实施例1中未掺杂石墨烯注塑的ptfe薄膜的光学照片。

图2为本发明实施例2中掺杂石墨烯掺杂量为32mg(质量百分数为0.016％)时注塑的ptfe薄膜的光学照片。

图3为本发明实施例3中掺杂石墨烯掺杂量为64mg(质量百分数为0.032％)时注塑的ptfe薄膜的光学照片。

图4为本发明石墨烯掺杂前后注塑成型ptfe薄膜的拉曼光谱图。

图5为本发明实施例4注塑成型微织构ptfe薄膜的光学照片。

图6为本发明实施例5砂纸打磨后注塑成型石墨烯掺杂ptfe薄膜的光学照片。

图7为本发明实施例1中未掺杂石墨烯注塑的ptfe薄膜的短路电流曲线图。

图8为本发明实施例2中掺杂石墨烯掺杂量为32mg(质量百分数为0.016％)时注塑的ptfe薄膜的短路电流曲线图。

图9为本发明实施例3中掺杂石墨烯掺杂量为64mg(质量百分数为0.032％)时注塑的ptfe薄膜的短路电流曲线图。

图10为本发明实施例1中未掺杂石墨烯注塑的ptfe薄膜的开路电压曲线图。

图11为本发明实施例2中掺杂石墨烯掺杂量为32mg(质量百分数为0.016％)时注塑的ptfe薄膜的开路电压曲线图。

图12为本发明实施例3中掺杂石墨烯掺杂量为64mg(质量百分数为0.032％)时注塑的ptfe薄膜的开路电压曲线图。

图13为本发明实施例4注塑成型表面微织构ptfe薄膜的短路电流曲线图。

图14为本发明实施例5砂纸打磨后注塑成型石墨烯掺杂ptfe薄膜的短路电流曲线图。

图15为本发明实施例4注塑成型表面微织构ptfe薄膜的开路电压曲线图。

图16为本发明实施例5砂纸打磨后注塑成型石墨烯掺杂ptfe薄膜的开路电压曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种摩擦发电薄膜及制备方法与摩擦发电器件，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在研究过程中发现，以聚四氟乙烯和石墨烯为例，如果直接使用未改性的聚四氟乙烯(ptfe)薄膜作为摩擦副材料的摩擦发电器件的电输出往往较低，实际使用会受限。虽然石墨烯具有许多优异的电学性能，但是难以将其掺杂到ptfe材料中并改善其电输出性能，因此提供一种高效、实用的方法将掺杂材料(如石墨烯)掺杂到聚合物薄膜(如ptfe薄膜)中就尤为重要。

本发明提供一种摩擦发电薄膜的制备方法，其中，包括：

s100、将掺杂材料与聚合物颗粒混合，得到混合料；

s200、将所述混合料加入到注塑装置中进行注塑成型，得到摩擦发电薄膜。

本方法提供的摩擦发电薄膜的制备方法是一种增强摩擦发电薄膜摩擦发电性能的注塑成型方法。具体地，本发明在注塑前，将石墨烯纳米片掺杂到干燥后的ptfe聚合物颗粒中并搅拌均匀，之后加入到注塑装置料斗中，开始注塑；注塑完成后，得到摩擦发电薄膜。

可见，本发明通过注塑成型的方法将掺杂材料掺杂在聚合物材料中，从而制备得到摩擦发电薄膜。本发明所述的摩擦发电薄膜的制备方法具有操作简单，工艺流程短的特点，并且能够实现所制备得到的摩擦发电薄膜的短路电流和开路电压等摩擦发电性能的提高。

无论是从摩擦纳米发电机的应用角度还是从拓宽摩擦副材料角度，通过注塑工艺将石墨烯纳米片掺杂到ptfe薄膜中来增强ptfe薄膜的电输出性能来满足自驱动式传感器、可穿戴式设备和移动电子设备的能源供应，具有非常重要的应用价值和实际意义。

所述s100的目的是实现掺杂材料与聚合物颗粒的初步混合。其中，所述聚合物在注塑成型前一般是颗粒状的，以便于进行注塑成型，具体可以是预先通过切粒后得到的聚合物颗粒。所述掺杂材料可以是，但不限于片状或颗粒状的掺杂材料。

在本发明的一个实施方式中，所述将掺杂材料与聚合物颗粒混合包括：

s101、将所述聚合物颗粒进行干燥，得到干燥后的聚合物颗粒；

s102、将掺杂材料加入到干燥后的聚合物颗粒中，搅拌混合均匀。

所述s101中，通过干燥的方式去除聚合物颗粒中可能存在的水分等杂质。所述干燥的方式可以是加热干燥的方式，例如将聚合物颗粒放置在真空加热炉中进行干燥。

在本发明的一个实施方式中，所述干燥的温度为50～100℃。具体地，将聚合物颗粒倒入培养皿中，然后放置在真空加热炉中，设置温度为50～100℃(如80℃)，加热1～8h(如4h)后自然冷却。

本发明所述聚合物可以通过注塑的方法成型的摩擦发电高聚物材料。在本发明的一个实施方式中，所述聚合物包括：聚四氟乙烯(ptfe)、聚氨脂(tpu)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)、聚碳酸酯(pc)、热塑性弹性体(tpe)、热塑性聚酯弹性体(tpee)、聚苯乙烯(ps)、聚氯乙烯(pvc)、热塑性硫化橡胶(tpv)、聚丙烯(pp)、聚偏氟乙烯(pvdf)、乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)、聚醚醚酮(peek)、三元乙丙橡胶(epdm)中的一种或多种。

本发明所述掺杂材料能够增强所述聚合物材料的摩擦发电性能。在本发明的一个实施方式中，所述掺杂材料包括：石墨烯纳米片、二硫化钼、二硫化钨、石墨、金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、硒中的一种或多种。也就说，本发明所述掺杂材料为石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、石墨、金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金等。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的掺杂材料进行穷举，此处仅列出几种具体的材料供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

在本发明的一个实施方式中，所述石墨烯纳米片的厚度为6-8nm，所述石墨烯纳米片的宽度为15μm。其中，所述石墨烯纳米片的宽度是指石墨烯纳米片。可见，本发明所述摩擦发电薄膜的制备方法便于实现二维材料掺杂聚合物薄摩擦发电性能提升的目的。

在本发明的一个实施方式中，所述混合料中，所述掺杂材料的质量百分数为0.001～0.1％。具体地，石墨烯纳米片掺杂ptfe薄膜的方案来说，利用babyplast注塑成型装置(微型注塑成型装置)，通过调控石墨烯掺杂量0-64mg(质量百分数为0～0.032％)，可实现ptfe薄膜短路电流在3.66-49.27μa范围内变化，开路电压在104-800v范围内变化。可见，本发明所述摩擦发电薄膜的制备方法能够改变摩擦发电薄膜的摩擦发电性能，进而实现摩擦发电薄膜的摩擦发电性能的提高。

在本发明的一个实施方式中，所述注塑成型装置的模芯表面为无织构或沟槽型织构、凹坑型织构、正金字塔型织构、圆柱型织构、立方体型织构、砂纸表面无规则织构、过滤网表面织构中的一种或几种。本发明所述模芯表面设置有织构，能够使制备得到摩擦发电薄膜的表面具有一定规则的三维形貌，达到提高摩擦发电性能的目的。

在本发明的一个实施方式中，所述注塑成型过程中，注塑温度为220-350℃，注塑压力为3-10mpa，注塑保压时间(注塑压力时间)为2-6s，射出速度为10-50mm/s。本发明所述注塑成型工艺参数能够使掺杂材料成功完成对聚合物材料的掺杂，所述掺杂材料可以是片状的掺杂材料。

在本发明的一个实施方式中，所述摩擦发电薄膜的制备方法还包括：对所述摩擦发电薄膜进行后处理；其中对摩擦发电薄膜的后处理方式为砂纸打磨、研磨、抛光、刻划、激光加工等物理改性手段。通过上述物理手段可以增加摩擦发电薄膜表面的粗糙度等性能，有利于提高摩擦发电薄膜的摩擦发电性能。

本发明还提供一种摩擦发电薄膜，其中，采用如上所述摩擦发电薄膜的制备方法制备得到。可见，所述摩擦发电薄膜是一种通过注塑成型的方法对聚合物材料进行掺杂后的摩擦发电薄膜，可实现短路电流和开路电压的提高。

本发明还提供一种摩擦发电器件，其中，包括：如上所述摩擦发电薄膜。

在本发明的一个实施方式中，所述摩擦发电器件，包括：上摩擦副材料和下摩擦副材料；其中，所述上摩擦副材料可以金属片，如铝箔等，所述下摩擦副材料即为如上所述摩擦发电薄膜。

可选地，本发明所述摩擦发电器件工作模式为接触-分离、水平滑动、独立层和单电极。

在实施过程中，在注塑完成后，将制备得到的摩擦发电薄膜组装成摩擦发电器件。进一步地，对摩擦发电器件进行发电性能测量，其中，所述发电性能测量方式为接触式测量或非接触式测量。

进一步地，本发明所述摩擦发电薄膜可以用于制备传感器、制备移动电子设备、以及用于收集蓝色能源或是作为高压电源等领域中。

下面具体以石墨烯掺杂ptfe薄膜的制备方法为例对本发明的技术方案进行说明。本发明增强石墨烯掺杂ptfe薄膜摩擦发电性能的注塑成型方法，具体过程为：