本发明属于新能源开发和纳米发电领域，特别是涉及一种基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机。
背景技术：
随着能源枯竭和资源浪费的日益严重，从可持续、可再生、环保的资源中获取能源的方法成为缓解能源危机的热点问题和可行的途径。而在各种可再生能源资源中，机械能是一种高度可靠并且低成本的能源，除电磁感应发电外，研究人员已经发现多种机械能转变为电能的发电方式，如新型发电方式如摩擦电发电、压电发电等。而摩擦发电因为其高输出性能、环境友好性、可持续性以及机械能来源丰富而备受关注。
目前现有技术中摩擦纳米发电机的摩擦材料比较固定，多为金属和高分子聚合物，如铝、铜、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)等，例如hex等人运用金纳米颗粒制备摩擦电纳米发电机，其发电功率可以达到11.5w/m2。然而摩擦电材料成本较高，限制了高性能高输出的纳米摩擦电发电机在市场上大规模生产和运用。所以寻找低成本材料来制备高性能纳米发电机成为摩擦电发电领域的一个关键问题。
根据摩擦序列，橡胶能够通过摩擦带有大量的电荷，因此具有广阔的利用价值，而据统计每年大约有1000万条橡胶轮胎被全世界废弃，橡胶因其难以降解的特点会造成严重的环境问题，因此，如何重复利用橡胶已成为热点问题。
技术实现要素：
要解决的技术问题
本发明根据橡胶摩擦带电现象和废旧橡胶难以被回收利用的情况，提供了一种基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦发电机，目的是用以有效回收利用废弃橡胶并且提高纳米发电机的输出性能。本发明原料成本低，输出性能稳定，且具有良好的电输出能力。
技术方案
一种基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机，其特征在于包括：由废弃氟化橡胶粉末、聚二甲基硅氧烷构成的负电极涂覆在铝箔上，并固定在丙烯酸基板上；以水辅助氧化铝作为正电极固定在另一块丙烯酸基板上；两块丙烯酸基板由四根弹簧连接，导线将上层水辅助氧化铝和下层的铝箔电极相连。
一种发电机的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：制备氟化废弃橡胶纳米颗粒
步骤1a、将废弃橡胶粉末用去离子水和丙酮处理表面污垢；
步骤1b、将废弃橡胶粉末在水溶过氧化氢溶液中进行一次氧化；
步骤1c、将废弃橡胶粉末放置在盛有10％过氧化氢溶液的玻璃容器中在80℃环境下持续搅拌3小时；
步骤1d、将废弃橡胶粉末放置于滴加几滴三氯硅烷液滴的密封容器中保持95℃加热1小时；
步骤2：制备摩擦电复合层
步骤2a、将聚二甲基硅氧烷旋涂在铝箔上并且在70℃下预处理3分钟；
步骤2b、将氟化废弃橡胶粉末转移到半硫化的pdms膜表面，经过充分硬固化后，废弃橡胶粉末将通过pdms膜紧紧的贴在铝箔上；
步骤3：制备下层摩擦电极，将摩擦电复合层固定在另一块丙烯酸玻璃上作为负电极；
步骤4：制备上层摩擦电极
步骤4a：通过水辅助氧化工艺制备的微/纳米铝箔作为正电摩擦电极；
步骤4b：将经过水辅助氧化处理的铝膜固定在一块丙烯酸玻璃上，作为连接摩擦和生电材料的正电极；
步骤5：连接外部电路
步骤5a、用四根弹簧将两块摩擦电极板连接起来，两摩擦电材料间距为5mm；
步骤5b、用两根铜线连接在上两块铝箔，用来做之后的电量检测。
有益效果
本发明中采用废弃橡胶作为电极材料，与传统的电极材料相比，成本低廉，且材料易于获取。基于氟化废弃橡胶粉末构成的纳米摩擦电发电机，其输出性能优良，具有广阔的应用空间。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机的结构示意图。
图2为本发明实施例的一种基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机的制备流程图。
图3为本发明实施例的一种基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机的输出电压波形图。
图4为本发明实施例的一种基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机的输出电流密度波形图。
图5为本发明实施例的一种基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机的输出电压、输出电流密度、输出功率密度与外部载荷关系图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提供的基于废弃氟化橡胶粉末的摩擦电纳米发电机，将正电极经过水辅助氧化处理后固定在丙烯酸底座上，将聚二甲硅氧烷旋涂在铝箔上进行预处理，使经过清洗筛选氟化处理的废弃橡胶粉末转移到半硫化的聚二甲基硅氧烷膜表面进行充分硬固化，然后将产物固定在另一块丙烯酸玻璃上作为负电极，最后将正负极通过弹簧相连接。所述负极为废弃氟化橡胶与聚二甲基硅氧烷复合材料，正极为水辅助氧化铝，提供较大的摩擦电序差。包括如下制造方法：
步骤(1)将聚二甲硅氧烷旋涂在铝箔上进行预处理，使经过清洗筛选氟化处理的废弃橡胶粉末转移到半硫化的聚二甲基硅氧烷膜表面进行充分硬固化，然后将产物固定在另一块丙烯酸玻璃上作为负电极。
其中，步骤(1)中为了制造负电极，首先将废弃橡胶粉末通过去离子水和丙酮混合溶液清洗去除表面杂质后，通过筛孔筛选出合适尺寸废弃橡胶粉末颗粒。废弃橡胶粉末需要首先在水溶过氧化氢溶液中进行一次氧化，然后将其放置在盛有10％(质量比)过氧化氢溶液的玻璃容器中在80℃环境下持续搅拌3小时。然后将筛选出的粉末颗粒置入过氧化氢溶液中在80摄氏度下加热氧化处理三小时，并向处理后的粉末滴入少量三氯(1h，1h，2h，2h-全氟辛基)硅烷(fots)后在95摄氏度条件下加热1小时。
其中，步骤(1)中还包括：将聚二甲硅氧烷(pdms)旋涂在铝箔上并且在70℃条件下进行3分钟恒温处理。然后将清洗筛选处理好的废弃橡胶粉末(wrp)通过三氯硅烷氟化，然后转移到半硫化的pdms膜表面。经过充分硬固化后，wrp将通过pdms膜紧紧的贴在铝箔上，然后将wrp/pdms/al固定在另一块丙烯酸玻璃上作为负电极。
其中，制备方法还包括位于步骤(1)之后的步骤：
步骤(2)为了制备正电极，铝片剪切成4cm×4cm的尺寸，然后进行水辅助氧化处理，之后与丙烯酸玻璃基片固连。
具体实施例一：
如图1所示，为本发明实施例的一种基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机，包括：由废弃氟化橡胶粉末、聚二甲基硅氧烷构成的负电极1涂覆在铝箔2上，并固定在丙烯酸基板4上。以水辅助氧化铝3作为正电极固定在另一块丙烯酸基板上。两块丙烯酸基板由四根弹簧5连接，导线6将上层水辅助氧化铝和下层的铝箔电极相连。
其中，所述上层水辅助氧化铝通过按压接触与下层氟化橡胶粉末电极摩擦以产生电荷，因为铝的摩擦正电性高于聚二甲基硅氧烷，所以水辅助氧化铝带正电，氟化橡胶粉末电极带负电，在所述摩擦电下层电极和上层电极分开和再接触过程时两铝电极产生电势差，在导线中引发电荷移动，从而产生电信号，并通过整流电路输出信号。
如图2所示，本发明提供的一种基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机其制备方法包括如下：
步骤1，制备氟化废弃橡胶颗粒。
步骤2，制备摩擦电复合层。
步骤3，制备下层摩擦电极。
步骤4，制备上层摩擦电极。
步骤6，连接外部电路。
具体制备方式如下：
(1)制备氟化废弃橡胶纳米颗粒
步骤1、将废弃橡胶粉末用去离子水和丙酮处理表面污垢。
步骤2、为了将fots修饰在wrp上，wrp需要首先在水溶过氧化氢溶液中进行一次氧化。
步骤3、将废弃橡胶粉末放置在盛有10％过氧化氢溶液的玻璃容器中在80℃环境下持续搅拌3小时。
步骤4、将1克wrp放置于滴加几滴fots液滴的密封容器中保持95℃加热1小时。
(2)制备摩擦电复合层
步骤1、将一片聚二甲基硅氧烷旋涂在另一片铝箔上并且在70℃下预处理3分钟。
步骤2、将氟化废弃橡胶粉末转移到半硫化的pdms膜表面。经过充分硬固化后，wrp将通过pdms膜紧紧的贴在铝箔上。
(3)制备下层摩擦电极，将摩擦电复合层固定在另一块丙烯酸玻璃上作为负电极。
(4)制备上层摩擦电极
步骤1、通过水辅助氧化工艺制备的微/纳米铝箔作为正电摩擦电极。
步骤2、将经过水辅助氧化处理的铝膜固定在一块丙烯酸玻璃上，作为连接摩擦和生电材料的正电极。
(5)连接外部电路
步骤1、用四根弹簧将两块摩擦电极板连接起来，两摩擦电材料间距为5mm。
步骤2、用两根铜线连接在上两块铝箔，用来做之后的电量检测。
图3为基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机的输出电压波形图，采用以上步骤制备出的基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机，其输出电压峰值为265伏，并且具有稳定的输出性能。
图4为基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机的输出电流密度波形图，采用以上步骤制备出的基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机，其输出电流密度峰值为75毫安每平方米，并且具有稳定的输出性能，波动较小。
图5为采用以上步骤制备出的基于废弃氟化橡胶粉末的自供电纳米摩擦电发电机的输出电压、输出电流密度、输出功率密度与外部载荷关系图。由图5所示，通过负载的瞬时输出电压随着电阻的增加而逐渐增加，并且当电阻值增加至无穷大时趋于饱和，达到开路电压，而通过负载的瞬时电流密度随着电阻的增加而减小，当电阻值增加至无穷大时趋于0，短路电流密度峰值为75毫安每平方米。