一种多模共存同轴管状摩擦纳米发电机的制备方法与流程

1.本发明涉及柔性智能可穿戴发电、传感领域，具体是一种多模共存同轴管状摩擦纳米发电机的制备方法。


背景技术：

2.摩擦纳米发电机(teng)作为一种将人体或外界机械能转化为电能的有效技术，为可穿戴自供电传感器提供一种新方法。其具有输出电信号大、使用寿命长、与纺织品结合程度高等优势。
3.目前，市面上的摩擦纳米发电机产品主要为二维平面或三维器件，制备成供能器件体积较大，不适合便携穿戴，无法结合到纺织品中。众所周知，摩擦纳米发电有四种工作模式，包括单电极模式、接触分离模式、滑动摩擦模式和独立层模式，但目前没有多种模式共同存在、工作的摩擦纳米发电机产品，单一的工作模式限制了teng输出功率的提高。因此构筑一种管状、柔性好且兼具多种工作模式的teng成为智能可穿戴市场新的热点。
4.为了解决上述问题，本案由此而生。


技术实现要素：

5.为了弥补现有技术的不足，解决现有的摩擦纳米发电机产品不能兼具多种工作模式的问题，本发明提出一种多模共存同轴管状摩擦纳米发电机的制备方法。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种多模共存同轴管状摩擦纳米发电机的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤一：制备压缩回弹骨架，将一定细度的热定型长丝分别卷绕在编织机锭子上，取一定直径的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的三元共聚物管，以此为轴将热定型长丝编织在该管表面，形成中空圆柱管，再利用热定型工艺使涤纶管定型，得到压缩回弹热定型长丝骨架；
7.步骤二：制备静电感应电极，选取导电油墨作为导电涂层材料，采用涂覆工艺将导电油墨涂覆在步骤一所述的涤纶管表面，并热烘使其贴附在管体表面，使得涤纶管导电；
8.步骤三：制备介电电极，按重量份准备pdms组份a、b，两种组份按比例混合，将所得混合溶液注入步骤二所述的导电涂层涤纶管中静置，再转移至烘箱烘干定型，定型后脱模取出，得到管状电极；
9.步骤四：制备同轴起电电极，将一定细度的锦纶长丝分别卷绕在编织机锭子上，取一定细度的导电金属纱线，并以此为轴将锦纶长丝编织在金属纱线上，金属纱线为静电感应纱，编织锦纶纱为起电纱；
10.步骤五：将上述步骤四与步骤三得到的电极组装，使其同轴并两端固定，得到同轴管状摩擦纳米发电机。
11.优选的，步骤一中丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的三元共聚物管的直径2～4mm，热定型长丝，直径0.1～0.3mm。编织参数，8～20锭，编织角30
°
～60
°
，节距16～20mm，热定型温度160～200℃，时间1～2小时；工作时，涤纶热定型工艺温度不能过高或过低，低于180
°
热定
型效果差，需要延长加热时间消除涤纶内应力，高于220
°
涤纶由玻璃态转化为熔融态，高分子结构发生变化，涤纶管软化，定型失败。
12.优选的，步骤二中热烘固化温度为60～80℃，时间为15～30分钟；工作时，导电油墨涂覆工艺需要覆盖全部涤纶管表面，形成完整的导电通路，将感应电荷引出；导电油墨采用银浆附着更加牢固，电荷传导性能更好。
13.优选的，步骤三中的pdms按重量份：a组份10，b组份90，热烘温度60～80℃，时间1～2小时；工作时，热烘温度80℃，时间2h为最佳。
14.优选的，步骤四中锦纶长丝，参数为70d/24f；编织参数为8～12锭，编织角30
°
～60
°
，节距16～20mm，金属纱线直径0.2～0.3mm。
15.优选的，步骤四中锦纶纱直径远小于步骤二中涤纶管直径，形成同轴结构后涤纶管可与锦纶纱在较大尺度范围内实现接触分离。
16.优选的，制成的同轴管状摩擦纳米发电机可作为纱线与纺织品融合，应用于微电子器件供能；工作时，制成的多模共存同轴管状摩擦纳米发电机自身可作为自供电传感器和机械能转化电能器件，编织到衣物、家纺、鞋底等产品中。
17.优选的，制成的同轴管状摩擦发电机中，电极信号的输出可用于传感。
18.本发明的有益之处在于：
19.1.本发明一种多模共存同轴管状摩擦纳米发电机及传感器的制备方法，热定型长丝制备成管状结构具有优异的弹性回复能力，为摩擦纳米发电机接触分离工作模式提供良好的分离效果，产生更高的电气输出；以编织锦纶作为芯层和pdms包覆管状外层形成同轴结构可以实现摩擦纳米发电机单电极和接触分离模式共存的工作情形，实现单电极输出电量叠加到接触分离模式，然后通过外接电路共同输出，有效提高一维线性摩擦纳米发电机的输出效能，进一步可以将输出电信号作为传感信号，达到自供电储能和传感。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
21.图1为本发明实例提供的一种摩擦纳米发电机的分解图；
22.图2为图1所示摩擦纳米发电机工作原理图；
23.图3为本发明的方法流程图。
24.图中：1、外电极介电层；2、骨架感应层；3、内电极起电层；4、内电极感应层。
具体实施方式
25.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它实施例，都属于本发明保护的范围。
26.一种多模共存同轴管状摩擦纳米发电机及传感器制备方法，包括由pdms包覆的管
状pet外层和编织锦纶纱组成的芯层，具体如下步骤：
27.步骤一：制备压缩回弹骨架，将细度为0.2mm的热定型长丝分别卷绕在编织机的12个锭子上，取直径为2-4mm的丙烯腈(a)-丁二烯(b)-苯乙烯(s)的三元共聚物管，以此为轴将热定型长丝编织在该管表面，形成中空圆柱管，再利用热定型工艺使涤纶管定型，定型温度200℃，时间2h，得到压缩回弹热定型长丝骨架；
28.步骤二：制备静电感应电极，选取p/o为300h的导电银浆作为导电涂层材料，采用涂覆工艺将导电油墨涂覆在步骤一所述的涤纶管表面，加热80℃固化15-20min，使得涤纶管导电；
29.步骤三：制备介电电极，按重量份配置pdms组份a、b，两种组份按比例90：10混合，将所得混合溶液注入步骤二所述的导电涂层涤纶管中静置，再转移至烘箱80
°
烘干2h定型，定型后脱模取出，得到管状电极；
30.步骤四：制备同轴起电电极，将细度为70d/24f的锦纶长丝分别卷绕在编织机锭子上，取细度为0.2mm的金属铜丝，并以此为轴将锦纶长丝编织在金属纱线上，金属纱线为静电感应纱，编织锦纶纱为起电纱；
31.步骤五：将上述步骤四与步骤三得到的电极组装，得到同轴管状摩擦纳米发电机，如图1所示。
32.制成的同轴管状摩擦纳米发电机可以实现teng单电极和接触分离两种工作模式共存，如图2所示，通过手或衣物等按压teng时，在一个运动周期内，外接回路中电子出现两个一致方向的运动过程，提高发电机输出性能。
33.本方案中，本发明一种多模同轴管状摩擦纳米发电机及传感器的制备方法，该结构提供了一种新的摩擦纳米发电机的设计方法，所采用的热定型长丝具有骨架作用，改善了一维线状摩擦纳米发电机的输出电信号较小、使用寿命短、与纺织品结合程度低等问题。
34.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
35.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。