一种聚（癸二酸甘油酯）3D打印纳米发电机及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种聚（癸二酸甘油酯）3D打印纳米发电机及其制备方法和应用，将聚(癸二酸甘油酯)PGS、碳纳米管CNTs和致孔剂混合后通过3D打印再进行热交联和致孔剂溶出而得。本发明专利技术具有良好的弹性和导电性，3D打印技术的使用不仅简化了目前大部分柔性一体化TENG的制备流程，同时还能使TENG能被加工成复杂多变的三维结构，使得其形状的设计更具多样性和灵活性，从而促进了柔性一体化3DP‑TENG在可而穿戴电子设备上的进一步发展。

【技术实现步骤摘要】
一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米发电机领域，特别涉及一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机及其制备方法和应用。
技术介绍
王中林团队首次报道了摩擦纳米发电机(TENG)，它可以通过摩擦起电和静电感应现象发电，已经成为了从人体运动获取机械能并检测人体生理活动的新范式。由于成本低廉，结构设计灵活，原材料多样化等优点，TENG在学术界和工业界都取得了快速的进展。考虑到人类的潜在应用，人们需要制作出具有与人体不规则轮廓相匹配的形状的TENG，从而推进适形应用的发展。以前报道的TENG通常依赖于两个分立元件之间的相对运动，而这使得TENG的组装更加复杂。这种复杂的结构严重制约了TENG的制造性能，阻碍了TENG在可穿戴和适形领域上的应用。为了获得柔性一体化电子设备，人们对由导电材料(碳纳米管，石墨烯，银纳米线)和弹性基体构建而成的TENG进行了若干研究。然而，这些TENG主要通过溶剂蒸发法制备。所用的交联弹性体也限制了进一步的制造。由于这些原因，大多数TENG通常被用作薄膜或者其他受模具限制的简单形状，在实际应用中不能满足三维复杂形状的要求。目前，3D打印已被证明是一种制造柔性电子设备的新兴有效方法。3D打印技术需采用由计算机控制的定位台，其运动轨迹由相应的计算机程序设定，以便从原材料直接创建所需的3D微观和宏观结构，包括构建复杂的定制3D几何图形的能力。由于这些优势，3D打印技术被广泛应用于各种功能材料和设备的制造，包括软传感器，电子和生物医学设备。最近，Chen等人报道了使用3D打印技术制造超柔性TENG的第一个例子。然而，在3D打印后，需要对多个部件进行复杂的装配，才能产生这种3D-TENGs。在实际应用中，要制造复杂和不规则的形状来满足特定的要求并保持特定的人体结构仍然困难。此外，很少有TENG是由可降解材料制成的。这些TENG的不可降解性减缓了它们在植入式医疗领域上的应用并减弱了其环境友好性。因此，研究者们急需开发新的简单和多功能的3D打印技术来制造具有可设计性和复杂结构的可降解TENG，以满足实际应用需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机及其制备方法和应用，该纳米发电机具有良好的弹性和导电性，同时3D打印技术的应用克服了目前制备技术上的缺陷。本专利技术提供了一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机，将聚(癸二酸甘油酯)PGS、碳纳米管CNTs和致孔剂混合后通过3D打印再进行热交联和致孔剂溶出而得。。所述致孔剂为盐颗粒。所述后处理为固化交联并去除致孔剂。所述纳米发电机为分层多孔结构。本专利技术还提供了一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机的制备方法，包括：(1)将聚(癸二酸甘油酯)PGS溶于溶剂中，然后加入碳纳米管CNTs分散，最后加入致孔剂，室温下干燥，得到“油墨”；其中，CNTs为PGS质量的5-15％；(2)将“油墨”进行3D打印，得到3D结构的成品；将成品固化，最后浸入乙醇水溶液中去除致孔剂，即得聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机。所述步骤(1)中的PGS与致孔剂的质量比为1:1-2。所述步骤(2)中的3D打印工艺参数为：挤出丝直径0.5-1mm，挤出速度0.001-0.01mm/s，沉积速度2-3mm/s。所述步骤(2)中的固化温度为100-150℃，固化时间为12-48h。所述步骤(2)中的乙醇水溶液中水和乙醇的体积比为10:0.5。本专利技术还提供了一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机在可穿戴电子设备上的应用。本专利技术打印所需的样品是由导电性碳纳米管(CNTs)网络，微米级致孔剂(盐粒)和生物弹性体聚(癸二酸甘油酯)(PGS)基质混合而成的半固态“油墨”状物质。其宏观结构由孔洞(35-75μm)填充而成。每个单独的腔体都是一个微型TENG单元。当施加机械力时，弹性基体的变形导致裸露的CNTs与变形腔体的内表面上的PGS基质发生接触起电，从而引起了相互连接的CNTs网络和地面之间的电子流。而盐颗粒不仅用作致孔剂，还用作结构支撑物，它们可以调节打印“墨水”的流变性能，使其在打印过程中能够快速固化，并使打印的三维结构在热交联过程中得以保持。基于3D打印技术，新开发的TENG可以被加工成复杂多变的三维形状，从而适用于多种应用。从植入性应用和生态友好的角度来看，具有优异的生物相容性和生物可降解性性能的主要基质PGS尤为重要。PGS由甘油和癸二酸缩聚而成，这两种成分均为生物制品。而且由于PGS的合成原料来源广泛、成本低廉，使得PGS的制备具有较高的经济效益，扩大到工业生产的可能性很大。此外，弹性PGS基质不仅对压缩有很高的响应，对弯曲和拉伸也很敏感，因此，弹性3DP-TENG可应用于生物能量采集，如LED闪烁和智能LED照明环。PGS材料具有良好的生物可降解性，能够在酶的催化作用下，酯键断裂，降解成小分子原料。因此，使用完的3DP-TENG能够在酶溶液进行处理，而随着PGS基质的降解，其中的CNTs可进行回收再利用。这些性能使得3DP-TENG在环境污染和降低成本方面有着巨大的优势。本专利技术的发电原理为：在3DP-TENG的空腔中，CNTs部分暴露在空腔表面，而其余部分嵌入PGS基质并形成CNTs网络。当腔体被挤压时，暴露在内壁上的CNTs与PGS基体接触。暴露的CNTs直接接触PGS基体后发生接触电化，由于PGS捕获负电荷的能力很强，负的摩擦电荷由PGS获得，CNTs则带有正电荷。当力被卸载时，弹性腔倾向于弹回以恢复其原始形状。一旦PGS基质与CNTs分离，CNTs上的正电荷将增加电势。由于碳纳米管接地，感应电子随着电势发生变化从地面流向碳纳米管网络，以平衡两个电极间的电位差。电子的这种瞬时流动一直持续到机械力完全卸载为止。值得注意的是，由于静电感应现象的存在，在嵌入PGS基质中的CNTs上将会存在一些残留的感应正电荷。当力再次加载时，电子流回地面，形成相反方向的瞬时电流。对于整个3DP-TENG来说，每根纤维上并联了大量空腔。当受到外力的刺激时，它们会同时变形并恢复，从而增强了来自单个腔体的输出性能。有益效果本专利技术具有良好的弹性和导电性，3D打印技术的使用不仅简化了目前大部分柔性一体化TENG的制备流程，同时还能使TENG能被加工成复杂多变的三维结构，使得其形状的设计更具多样性和灵活性，从而促进了柔性一体化3DP-TENG在可穿戴电子设备上的进一步发展。附图说明图1为本专利技术的制备原理图；图2a为排列对齐的纤维截面SEM图像；图2b为具有多孔结构的单根纤维SEM图像；图2c为具有多孔结构的单根纤维内表面放大图；图3为3DP-TENG在不同受力状态(折叠，拉伸和压缩)下的形态；图4a为单轴压缩试验，40％应变条件下3DP-TENG的应力-应变曲线；图4b为循环压缩试验，40％应变条件下3DP-TENG的应力-应变曲线；图5a为3DP-TENG的电输出特性；图5b为3DP-TENG的耐久性测试；图5c为碳纳米管含量对电输出的影响；图6为3DP-TENG生物降解和CNTs的回收再利用过程；图7为循环3DP-TENG的发电性能表征。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机，其特征在于：将聚(癸二酸甘油酯)PGS、碳纳米管CNTs和致孔剂混合后通过3D打印再进行热交联和致孔剂溶出而得。

【技术特征摘要】
1.一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机，其特征在于：将聚(癸二酸甘油酯)PGS、碳纳米管CNTs和致孔剂混合后通过3D打印再进行热交联和致孔剂溶出而得。2.根据权利要求1所述的一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机，其特征在于：所述致孔剂为盐颗粒。3.根据权利要求1所述的一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机，其特征在于：所述后处理为固化交联并去除致孔剂。4.根据权利要求1所述的一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机，其特征在于：所述纳米发电机为分层多孔结构。5.一种聚(癸二酸甘油酯)3D打印纳米发电机的制备方法，包括：(1)将聚(癸二酸甘油酯)PGS溶于溶剂中，然后加入碳纳米管CNTs分散，最后加入致孔剂，室温下干燥，得到“油墨”；其中，CNTs为PGS质量的5-15％；(2)将“油墨”进行3D打印，得到3D结构的成品；将成品固化，最后浸入乙醇水溶液中去除致孔剂，即得...

【专利技术属性】
技术研发人员：游正伟，陈硕，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31