一种基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机及其方法与流程

本发明涉及一种基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机。该摩擦纳米发电机可用于收集人体运动产生的机械能和监测人体运动状态，并且可以检测牛奶中蛋白质的含量。属于纳米能源和食品质量检测领域。

背景技术：

在过去的十年中，随着物联网的出现和发展以及人工智能技术的成熟，它带来了另一波信息产业。智能可穿戴电子产品正在影响人类生活的方方面面，如个人信息和通信安全，健康监测，多功能移动娱乐等等。此外，先进功能材料的主要创新赋予电子产品独特的皮肤特性，如柔韧性和可拉伸性，从而促进可穿戴电子产品的发展。因此，轻便，灵活，可穿戴的电子产品是近来科学研究的重点，它们应用于智能安防系统，物联网，便携式电子设备(如手机，蓝牙耳机，运动手环)，无线感知等。另一方面，持续供电将在这些设备的连续运行中发挥重要且不可替代的作用。然而，传统固态电池至今仍是首选，但存在许多明显的缺点，包括重量大，体积大，周期性充电，以及对人类健康的巨大风险。

面对这些挑战，一种有希望的方法是从我们的生活环境中获取能量，特别是从人体运动产生大量能量的人体中获取能量。但是先前基于压电效应，光伏效应和电磁效应的能量收集技术由于恶劣的工作条件和不令人满意的输出性能而难以从人体运动中获取机械能。幸运的是，基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电机已被证明是将普遍存在的环境机械能转换为电能的有效替代方案，特别是对于低频和振幅的机械运动。一些工作已经证明了摩擦纳米发电机在为各种小型电子设备供电或制造自供电传感器/电子设备方面的可行应用。与此同时，影响摩擦纳米发电机输出性能的因素有很多，如摩擦电材料的选择，表面粗糙度，几何结构和介电性能等。其中，摩擦电材料的选择是重中之重。正如之前的出版物所指出的那样，摩擦电系列在摩擦电过程中起着关键作用，因为它可以区分摩擦电效应过程中材料失去或获得电荷的能力。换句话说，两种摩擦电材料之间这种能力的巨大相对差异将为teng带来出色的输出性能。此外，摩擦电材料对人体是可穿戴的，因此它们应该是生物友好的，轻质的和柔韧的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机。

本发明基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机包括剪叉式支撑结构，所述的剪叉式支撑结构由若干个“x”形结构单元组成，所述的“x”形结构单元包括相互交叉的第一平板和第二平板，所述的第一平板和第二平板的上下表面均设置有导电油墨层，第一平板的导电油墨层上均覆盖有特氟龙胶带层；第二平板的导电油墨层上均覆盖有一层纸基层，纸基层上均覆盖有固态牛奶薄膜层，且同一“x”形结构单元内的第一平板和第二平板上的导电油墨层不接触；相邻两个“x”形结构单元之间的第一平板相互连接，相邻两个“x”形结构单元之间的第二平板相互连接。

优选的，所述的第一平板和第二平板尺寸相同，两平板交叉的部位为两平板的中点；相邻两个“x”形结构单元组合后构成一个菱形结构。“x”形结构单元通过堆叠结构可以增强输出电流，进而提升其输出性能；

优选的，所述的固态牛奶薄膜的制备方法为：在导电油墨层的上涂抹牛奶，并将其吹干，得到固态牛奶薄膜。

所述的导电油墨层通过涂抹透明导电油墨得到，该导电油墨具有很好的导电性和柔性，易涂抹在纸上，并且在基材产生变形时导电性不受影响。

优选的，所述的特氟龙胶带表面通过120目的砂纸打磨以增加其粗糙度。特氟龙胶带和牛奶两种材料都具有很好的柔性，适合复杂环境下使用。

优选的，所述的第一平板和第二平板为办公用的卡纸。卡纸具有很好的柔韧性，和容易剪裁的特点。

所述的基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机其工作原理采用的是垂直分离模型中的“电介质材料-电介质材料”模式。

本发明公开了一种所述的基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：

1)裁剪得到多片尺寸相同的纸基材；

2)将导电油墨涂抹在纸基材的一个表面，然后用电吹风将其吹干；

3)在其中一半纸基材涂有导电油墨的一侧贴上特氟龙胶带，在另外一半纸基材没有涂抹导电油墨的一侧涂抹牛奶，并用电吹风将其吹干，得到固态牛奶薄膜；

4)将粘有特氟龙胶带和固态牛奶薄膜的纸基材分别粘贴在两条尺寸相同的卡纸的上下表面；

5)以纸基材的长度为折痕之间的距离将卡纸折成“w”形状，

6)在两条卡纸上剪裁出若干条缝隙用来相互嵌合；缝隙位于相邻两个折痕的中点处；将两条卡纸通过缝隙嵌合组装在一起即得基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机。

本发明还公开了一种所述的基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机的发电方法，包括以下步骤：

1)根据要求确定“x”形结构单元的数量，将“x”形结构单元组合得到基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机；

2)用外力压缩基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机；

当外力沿“x”形结构单元排列的方向施加时；组成“x”形结构单元的第一平板和第二平板被压合，第一平板上的特氟龙胶带层和第二平板上固态牛奶薄膜构成摩擦电对，摩擦电对因摩擦而产生电荷；此时相邻两个“x”形结构单元组成的菱形结构被压缩时是同种材料接触；

当外力垂直于“x”形结构单元排列的方向施加时；组成“x”形结构单元的第一平板和第二平板被压合，第一平板上的特氟龙胶带层和第二平板上固态牛奶薄膜构成摩擦电对；摩擦电对因摩擦而产生电荷；此时相邻两个“x”形结构单元组成的菱形结构被压缩时是两种材料相互接触；(同种材料摩擦无法产生电荷)；

当外力以其它方向施加时；组成“x”形结构单元的第一平板和第二平板同样因受力产生形变，形变使得其上的部分特氟龙胶带层和部分固态牛奶薄膜接触产生电荷；

3)布置导线，使产生电荷的结构单元并联；反复压缩基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机；摩擦电对的两部分表面产生正负电荷，此时作为感应电极的导电油墨也会感应出相应的电荷，随着摩擦电极的两部分分离，导电电极上的电荷被驱动产生电流。

所述的基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机可以提供多种工作模式，可以用于人走路，跑步，跳跃，摆臂和腰部运动产生的机械能，可以通过输出信号判断人的运动状态。

所述的基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机可以用于检测牛奶中蛋白质的含量。基于所述的基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机的牛奶中蛋白质的含量方法，包括以下步骤：

1)将待测牛奶涂抹在第二平板的纸基层上；并用电吹风将其吹干，作为本发明的固态牛奶薄膜；将“x”形结构单元组合得到基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机；

2)将摩擦纳米发电机放在振动器下方；调整振动器的振幅和振动频率，使其在一定频率和振幅下工作；

3)将基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机的正负极直接与示波器连接；通过测量其输出电压信号来反应牛奶中蛋白质的含量。

本发明所具有的优点：

(1)使用生活中常见的可食用材料，降低了电子器件对人体健康的影响；

(2)制作该摩擦纳米发电机的材料来源广泛，成本低廉；

(3)通过砂纸来增加材料粗糙度，降低了制作成本，可实现大规模生产；

(4)该发电机不仅可以用于收集人体运动产生的机械能，还可以用于监测人体运动状态；

(5)该发电机还可以用于检测牛奶中蛋白质的含量；

(6)发明的摩擦纳米发电机具有更高的功率密度，经过实测功率密度达577.5μw/cm²；

(7)经过实验测试，尺寸为2cm×4cm在的摩擦纳米发电机，再用手按压大约5hz作用下，可以产生391v的开路电压，以及92μa的短路电流；

(7)集成化结构设计，简化了结构，降低了成本；

(8)三种工作模式，轴向拉伸-压缩，弯曲，横向压缩-拉伸，可以满足不同情况的下的工作环境，例如，跑步、步行、跳跃、摆臂、腰部运动；

(9)具有很高的可靠性，经过振动器多次按压后，电学性能依然稳定。

附图说明

图1是基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机结构示意图；

图2为特氟龙胶带层纸基材制作过程图；

图3为固态牛奶薄膜纸基材制作过程图；

图4为卡纸裁剪示意图；

图5为基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机组合示意图；

图6为本发明收集人体运动产生的机械能的结果图；

图7为本发明用于检测牛奶中蛋白质的含量；

图8为本发明连续工作5000次依然有很好的可靠性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

参阅图1，本发明基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机包括剪叉式支撑结构，所述的剪叉式支撑结构由若干个“x”形结构单元组成，所述的“x”形结构单元包括相互交叉的第一平板和第二平板，所述的第一平板和第二平板的上下表面均设置有导电油墨层，第一平板的导电油墨层上均覆盖有特氟龙胶带层；第二平板的导电油墨层上均覆盖有一层纸基层，纸基层上均覆盖有固态牛奶薄膜层，且同一“x”形结构单元内的第一平板和第二平板上的导电油墨层不接触；相邻两个“x”形结构单元之间的第一平板相互连接，相邻两个“x”形结构单元之间的第二平板相互连接。

参阅图2-5，一种基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机的制作方法，包括以下步骤：

1)将办公用a4纸剪成多片尺寸为2cm×4cm的纸条，数量根据需要而定；

2)将涂抹透明导电油墨涂抹在纸条的表面，然后用电吹风将其吹干；

3)在其中一半纸条涂有导电油墨的一侧贴上特氟龙胶带，在另外一半纸条没有涂抹导电油墨的一侧涂抹牛奶，并用电吹风将其吹干；

4)将粘有特氟龙胶带和涂有牛奶的纸基材分别粘贴在两片尺寸为2cm×16cm的卡纸表面；

5)在每片卡纸上剪裁出4条平行的缝隙用来嵌合；

6)将两片卡纸折成“w”形状，将他们通过缝隙组装在一起；

参阅图6，将本发明的基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机设置在鞋底；依靠人体运动的动作压缩摩擦纳米发电机；不仅可以用于收集人体运动产生的机械能还可以用于监测人体运动状态，比如，步行、跑步、跳跃。从图6中可以看出，在步行、跑步、跳跃三种状态下，反复压缩的频率是不同的，而基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机产生的电压也是不同的。因此可以通过摩擦纳米发电机产生的电压的频率和电压判断人体的运动状态。

参阅图7，本发明基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机可以用于检测牛奶中蛋白质的含量；将待测牛奶涂抹在第二平板的纸基层上；并用电吹风将其吹干，作为本发明的固态牛奶薄膜；在固定的压缩频率和幅度下进行电压测试。可以发现在一定范围内，随着牛奶质量的提高，摩擦纳米发电机产生的电压也随之提高，但当含量达到一定值后，随着牛奶质量的提高，电压不再发生明显变化。以牛奶的质量百分比浓度作为研究对象发现，当百分比浓度提高时，摩擦纳米发电机产生的电压也随之提高，因此可以用于检测牛奶中蛋白质的含量。

参阅图8，为本发明基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机的疲劳测试，图中可以看出，该发电机连续工作5000次依然有很好的可靠性。

本发明还公开了一种基于牛奶蛋白的摩擦纳米发电机的发电方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按照要求制作好摩擦纳米发电机，根据需要确定堆叠单元的数量；

2)用外力使发电机的摩擦电对能够相互接触，然后分离，如此往复运动；

3)布置导线，使各个发电单元并联；

4)利用外力进行摩擦电极的往复运动，当摩擦电对的两部分相互接触的时候，摩擦电极的两部分表面会产生正负电荷，此时感应电极也会感应出相应的电荷，随着摩擦电极的两部分分离，导电电极上的电荷被驱动产生电流。

在本发明中，众所周知，牛奶是一种低成本和有益健康的食物，甚至是许多人的日常早餐。作为一种纯天然无污染的材料，牛奶对我们的身体是生物友好的，无害的，其制备不需要复杂的过程。而且，作为日常办公用品，纸具有许多优点，例如低成本，轻便和柔韧，但更值得注意的是，牛奶容易附着在纸的表面上。因此，使用办公用纸作为基材来制备固体牛奶薄膜。纸板作为支撑部件，提供稳定耐用的结构。具体来说，该发明的摩擦纳米发电机遵循菱形的组装剪纸和折纸架构。此外，由于失去电子的强大能力，纸张已被制成摩擦电材料。因此，必须比较纸张与固体乳膜对teng输出性能的影响。根据实验结果，它清楚地表明基于牛奶的摩擦纳米发电机具有最佳的输出性能，并进一步说明它可以在摩擦电系列中占据顶级正位置。根据实验测试，牛奶中蛋白质浓度是影响摩擦纳米发电机输出性能的重要因素，因此该摩擦纳米发电机可用于测试牛奶中蛋白质的含量。如上所述，表面粗糙度也是影响摩擦纳米发电机输出性能的关键参数之一，因此本发明提出以砂纸的摩擦工艺来增加特氟龙胶带的表面粗糙度。

基于一系列实验测试，本发明摩擦纳米发电机的最大短路电流、最大开路电压和输出功率密度分别可达92μa，391v和577.5μw/cm²。为了提高输出性能，可以设计并制造了堆叠式摩擦纳米发电机，经实现可观察到增强的输出。本发明的摩擦纳米发电机的尺寸为5cm×5cm时，能够直接点亮81个工作电压为3.4v的蓝色大功率led。