一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用，涉及摩擦纳米发电机技术领域。本发明专利技术提供的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机包括摩擦电极和对摩电极，摩擦电极包括依次层叠设置的第一背电极和摩擦层，所述摩擦层的材质为多羟基高聚物；对摩电极包括依次层叠设置的第二背电极和对摩层，对摩层的外表面具有突起的立体图案；对摩层与摩擦层相对设置。本发明专利技术以富含羟基的多羟基高聚物为摩擦层，摩擦层的羟基易与水分子形成氢键，使环境中的水分子被固定在材料表面，水分子作为整体参与摩擦起电，增加了摩擦层的总电输出，从而起到了在高湿度环境下的湿度阻抗效果，使其可用于高湿度环境。

A flexible wearable friction nano-generator with high humidity resistance and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用
本专利技术涉及摩擦纳米发电机
，尤其涉及一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。
技术介绍
摩擦纳米发电机(简写为TENG)是近年来提出的一种环境耗散能量收集的新技术，在诸多领域有着潜在的应用前景，其中，柔性摩擦纳米发电机的研究在近期颇受关注。所谓柔性摩擦纳米发电机是指采用柔性材料作为TENG的摩擦层，相比于传统TENG具有更大的接触面积，因而保证了TENG的电输出。同时，由于柔性材料良好的延展性和可变形性，这种TENG可以制作成可穿戴设备，例如贴在人体的关节处用于收集人在运动时的摩擦能，或者设置在衣服、鞋子等上，穿戴在身上或脚上，通过点亮串联的小灯泡作为夜间跑步爱好者的警示装置、压力传感装置等。柔性摩擦纳米发电机的材料选择至少需要考虑三点要求：第一，材料具有较好的韧性，能够适应不同角度的拉伸、弯曲等形变的要求；第二，摩擦层材料和对摩层材料要保证具有足够的摩擦电输出，以保证传感器件的正常运行；第三，材料必须无毒无害，适用于人体的穿戴。如上所述，目前公开的关于柔性TENG的研究基本都是基于以上三点对材料进行选择，或者对现有材料进行改性处理。然而，在柔性摩擦纳米发电机的实际应用过程中，湿度对传统摩擦层高聚物的摩擦电影响极大，如铝电极和PVDF组成的摩擦纳米发电机，在湿度从15％增加到90％后，电输出降低65.4％(L.Gu,N.Y.Cui,J.M.Liu,Y.B.Zheng,S.Bai,Y.Qin,Nanoscale(7)201518049.)，直接影响了摩擦纳米发电机的应用。湿度对摩擦电的影响主要是因为水分子在高聚物的表面聚合，增加了电荷的耗散速度，从而导致输出电的降低。目前，研究人员对柔性TENG的研究主要集中在增加器件的电输出和应用性方面，而忽略了适用于高湿度环境的柔性摩擦纳米发电机的研究。例如，电子科技大学的李响、黄文等研究者设计了一种柔性可拉伸的摩擦纳米发电机，用于收集人体摩擦耗散的摩擦能(专利公开号106208802A)，并通过在电极中复配纳米颗粒来增加其电输出。但是该设备只能用于湿度较低的环境下，或者人体在没有大量出汗的条件下，否则会因为湿度的骤增而导致电输出的降低，影响器件的使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用，本专利技术所提供的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机可在高湿度环境中应用。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机，包括摩擦电极和对摩电极，所述摩擦电极包括依次层叠设置的第一背电极和摩擦层，所述摩擦层的材质为多羟基高聚物；所述对摩电极包括依次层叠设置的第二背电极和对摩层，所述对摩层的外表面具有突起的立体图案；所述对摩层与摩擦层相对设置。优选的，所述多羟基高聚物为聚乙烯醇、聚乳酸、水溶性羟基丙烯酸树脂、端羟基聚氨酯、环氧树脂和聚对苯二甲酸丁二醇酯中的至少一种。优选的，所述摩擦层的厚度为0.1～2mm。优选的，所述立体图案为四棱锥图案、圆锥图案、方形图案、圆形图案和条纹图案中的至少一种。优选的，所述对摩层的材质为聚二甲基硅氧烷。优选的，所述对摩层的厚度为0.1～2mm。优选的，所述第一背电极和第二背电极的材质独立地为聚3,4-乙烯二氧噻吩、PET-ITO、PEN-ITO、铜或铝。优选的，所述第一背电极和第二背电极的厚度独立地为0.05～0.1mm。本专利技术还提供了上述技术方案所述耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：将多羟基高聚物溶于溶剂，然后成膜，得到摩擦层；在所述摩擦层的一侧制作第一背电极，得到摩擦电极；采用激光刻蚀法或模具法制备一侧有立体图案结构的对摩层；在所述对摩层不含立体图案结构的一侧制作第二背电极，得到对摩电极；将所述摩擦电极和对摩电极组装，得到耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机。本专利技术还提供了上述技术方案所述耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机或上述技术方案所述的制备方法得到的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机在可穿戴设备中的应用。本专利技术提供的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机，包括摩擦电极和对摩电极，所述摩擦电极包括依次层叠设置的第一背电极和摩擦层，所述摩擦层的材质为多羟基高聚物；所述对摩电极包括依次层叠设置的第二背电极和对摩层，所述对摩层的外表面为突起的立体图案结构；所述对摩层与摩擦层相对设置。本专利技术以多羟基高聚物为摩擦层，摩擦层表面富含羟基，在湿度较高的环境下，摩擦层表面的羟基易于与水分子形成氢键而发生缔合，使环境中的水分子被固定在材料表面，氢键的形成使基团周围的电子云密度平均化，降低整体的能量，从而使水分子作为整体参与摩擦起电，水分子的正电性和摩擦层的正电性叠加，增加了摩擦层的电正性，增加了摩擦层的总电输出，从而起到了在高湿度环境下的湿度阻抗效果。附图说明图1为本专利技术所提供的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机的结构示意图，其中，1为摩擦层，2为对摩层，3为第一背电极，4为第二背电极，5为导线；图2为实施例1所得耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机在不同湿度下的输出电流变化图；图3为实施例1所得耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机在不同湿度下的输出电压变化图。具体实施方式本专利技术提供了一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机，包括摩擦电极和对摩电极，所述摩擦电极包括依次层叠设置的第一背电极和摩擦层，所述摩擦层的材质为多羟基高聚物；所述对摩电极包括依次层叠设置的第二背电极和对摩层，所述对摩层的外表面具有突起的立体图案；所述对摩层与摩擦层相对设置。本专利技术以多羟基高聚物为摩擦层，摩擦层表面富含羟基，在湿度较高的环境下，摩擦层表面的羟基易于与水分子形成氢键而发生缔合，使环境中的水分子被固定在材料表面，氢键的形成使基团周围的电子云密度平均化，降低整体的能量，从而使水分子作为整体参与摩擦起电，增加摩擦层的电正性，水分子和摩擦层的正电性叠加，增加了摩擦层的总电输出，从而起到了在高湿度环境下的湿度阻抗效果。在本专利技术中，所述耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机使用时，优选从所述第一背电极和第二背电极分别引出导线，与电压检测装置等可穿戴设备串联。图1为本专利技术所提供的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机的结构示意图，其中1为摩擦层，2为对摩层，3为第一背电极，4为第二背电极，5为导线，对摩层为的外表面(即与摩擦层相对的表面)为突起的立体图案结构，对摩层与摩擦层相对设置，使用时，在第一背电极和第二背电极上分别引出导线，与电压检测装置等可穿戴设备串联。在本专利技术中，所述耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机包括摩擦电极，所述摩擦电极包括依次层叠设置的第一背电极和摩擦层；所述摩擦层的材质为多羟基高聚物；所述多羟基高聚物优选为聚乙烯醇、聚乳酸、水溶性羟基丙烯酸树脂、端羟基聚氨酯、环氧树脂和聚对苯二甲酸丁二醇酯中的至少一种；所述摩擦层的厚度优选为0.1～2mm，更优选为0.5～1mm；所述第一背电极的材质优选为聚3,4-乙烯二氧噻吩、PET-ITO、PEN-ITO、铜或铝；所述第一背电极的厚度优选为0.05～0.1mm。在本专利技术中，所述多羟基高聚物具有一定的强度和柔韧性，且对水具有一定的阻抗作用，在水环境下不会立刻形成水凝胶而影响使用，可用于高湿度环境。在本专利技术中，所述耐高湿柔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于，包括摩擦电极和对摩电极，所述摩擦电极包括依次层叠设置的第一背电极和摩擦层，所述摩擦层的材质为多羟基高聚物；所述对摩电极包括依次层叠设置的第二背电极和对摩层，所述对摩层的外表面具有突起的立体图案；所述对摩层与摩擦层相对设置。

【技术特征摘要】
1.一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于，包括摩擦电极和对摩电极，所述摩擦电极包括依次层叠设置的第一背电极和摩擦层，所述摩擦层的材质为多羟基高聚物；所述对摩电极包括依次层叠设置的第二背电极和对摩层，所述对摩层的外表面具有突起的立体图案；所述对摩层与摩擦层相对设置。2.根据权利要求1所述的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于，所述多羟基高聚物为聚乙烯醇、聚乳酸、水溶性羟基丙烯酸树脂、端羟基聚氨酯、环氧树脂和聚对苯二甲酸丁二醇酯中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层的厚度为0.1～2mm。4.根据权利要求1所述的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于，所述立体图案为四棱锥图案、圆锥图案、方形图案、圆形图案和条纹图案中的至少一种。5.根据权利要求1或4所述的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于，所述对摩层的材质为聚二甲基硅氧烷。6.根据权利要求1所述的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王道爱，王楠楠，周峰，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，青岛市资源化学与新材料研究中心，
类型：发明
国别省市：甘肃,62