一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及其制备方法技术

本发明专利技术属于摩擦发电技术领域，具体为一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及制备方法。本发明专利技术利用介电常数不同的高分子材料作为摩擦生电层，取向碳纳米管薄膜作为电荷感应和收集电极；首先在纤维状高分子弹性基底上缠裹取向碳纳米管薄膜作为内层电极，然后在碳纳米管薄膜表面依次构建两种接触表面具有微纳结构的高分子摩擦生电层，再缠裹一层碳纳米管薄膜作为外层电极，最后封装得到可拉伸的同轴纤维状摩擦发电器件。该器件制备过程简单，而且具有良好的柔性，在拉伸、弯曲、压缩和扭曲作用下均可产生电信号，因此能够收集外部环境中不同方向、不同形式的机械能，并将其转化为电能；可作为电源为可穿戴电子设备供电，也可作为传感器件用来检测人体运动、生理信号。

【技术实现步骤摘要】
一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及其制备方法
本专利技术属于摩擦发电
，具体涉及一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及制备方法。
技术介绍
近年来可穿戴电子设备大量涌现，此类设备通过穿戴方式附着于人体体表后，可实时监测生理信号，并实现人机信息自动交互，在医疗保健、户外运动、以及信息通讯方面为用户带来了全新体验。目前流行的可穿戴电子设备都需要电池作为能量供给单元驱动设备工作，然而传统电池续航能力的不足严重制约了可穿戴电子设备的未来发展，而且当前绝大多数可穿戴电子器件均采用传统的块状电池作为电源，由于其体积较大，质量较重，不具有柔性，尤其不适于人体穿戴，更不适宜与可穿戴电子器件实现功能和结构的整体集成。近年来兴起的基于摩擦生电和静电感应耦合效应的摩擦发电技术能将环境中的机械能转化为电能，特别是可将人体运动所产生的低频机械能(<1Hz)，转化为电能，其原理和技术都有别于传统的电磁感应发电机，是一种新型的、可持续的绿色清洁能源开发技术。值得一提的是，基于上述原理和技术所开发制备的摩擦发电器件在可穿戴设备、智能衣物、以及植入式电子设备等领域存在显著优势：不仅可以通过穿戴方式与人体高度集成，而且能够将人体运动所产生的机械能转化为电能，以满足各种便携式电子设备对于电能的大量需求。目前，摩擦发电技术已引起了学术界和工业界的广泛关注，自2012年起，大量的摩擦发电器件不断涌现。上述摩擦发电器件大多采用金属电极来收集感应电荷，由于金属材料自身重量较大，柔性较差，在拉伸过程中易于发生断裂而失效，因此不适宜于人体穿戴；此外金属电极加工过程经常需要光刻、电子束沉积、反应离子刻蚀等微加工手段，制备工艺复杂，成本高昂，不宜于大规模应用。而将导电性能优异的碳纳米管材料与柔性的高分子基质按照一定方式结合，具有方法简单、原材料灵活多样、易于集成等特点，因此可以成为制备柔性电子器件的理想方法。由于碳纳米管材料与柔性高分子基质复合方式多样，因此所制备的柔性电子器件结构和性能易于调控，通过合理的结构设计，可获得拉伸性能和弯曲性能均佳的柔性器件，特别适合于开发可穿戴的摩擦发电器件。而通过将摩擦发电器件设计并制备成具有较高柔性和摩擦生电性能的纤维，再进一步通过编织技术得到透气织物的摩擦发电器件，通过穿戴方式，即可实现将人体运动机械能转化为电能而使用的目的，可以作为电源为各种便携式电子设备供电，也可以作为一种自能量传感器用来检测人体运动和生理信号。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有柔性、能够连续制备且能编织为衣物的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及其制备方法。本专利技术提供的低成本、能够连续制备的具有柔性的纤维状摩擦发电器件，是利用纤维状聚合物弹性基底，通过缠裹碳纳米管薄膜电极，原位沉积高分子微球和浸涂高分子膜层作为介电层，制备得可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件。此纤维状摩擦发电器件在25N的垂直压力作用下，单根5cm长的器件开路电压可达到2V，短路电流可达到250nA，可以利用该纤维状摩擦发电器件点亮液晶显示器，将4根纤维状摩擦发电器件并联后能够为商用电容器（22µF）充电。本专利技术的创新和特色之处在于，使用柔性的高分子介电材料和取向碳纳米管薄膜，通过简单可行的方法制备了可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，提供了一种能将人体机械能转化为电能的技术手段。本专利技术提供的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，利用介电常数不同的高分子材料作为不同的摩擦生电层，取向碳纳米管薄膜作为电荷感应和收集电极；包括：（1）内层电极，由碳纳米管纤维缠在纤维基底表面而成；（2）第一摩擦生电层，为在内层电极外表面的一层介电材料；（3）第二摩擦生电层，为在第一摩擦生电层外面的一层介电材料；（4）外层电极，为缠绕在第二摩擦生电层外的一层碳纳米管纤维；器件封装在高分子材料中。本专利技术中，所述的纤维基底具有弹性，基底材料可为高分子材料，如聚二甲基硅氧烷、聚氨酯等，其直径为0.1-10mm。本专利技术中，所述的内层电极和外层电极的碳纳米管纤维，具有取向结构与良好的导电性，其电阻为200-1000Ω/cm，厚度为20-2000nm；碳纳米管纤维以不同角度缠绕在基底表面。本专利技术中，所述的介电材料具有摩擦生电能力，其中，第一摩擦生电层与第二摩擦生电层具有相反的摩擦生电序列，第一摩擦生电层和第二摩擦生电层之间形成摩擦界面，其距离为1-200μm，在外力作用下二者发生接触或分离。本专利技术中，所述介电材料分别为易带正电与易带负电的聚合物材料，易带正电的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚醋酸纤维素、聚醋酸乙烯酯、聚乳酸等，其粒径为0.01-10.0μm，可通过包括电泳沉积、胶体自组装等方式组装，形成的表面具有微纳尺度的凸起结构，厚度为10-100μm；易带负电的材料，包括聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等，制备方法包括高分子溶液浸涂、沾涂或者单体原位聚合等，形成的表面构建了直径为0.1-100μm，厚度为10-100μm的规则或不规则孔，形成一种凹陷状结构。本专利技术中，两种摩擦层可在所列举的材料中选择带正、负电的材料搭配。可优选组合，如聚甲基丙烯酸甲酯/聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯/聚氨酯、聚苯乙烯/聚偏氟乙烯、聚苯乙烯/聚四氟乙烯、聚醋酸纤维素/聚氯乙烯等。本专利技术提供的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，具有一定的柔性，在拉伸、弯曲、压缩和扭曲等外力作用下均可产生电信号。本专利技术提供的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，可作为发电器件或传感器件，并且能够连续制备且能通过手工编织和工业纺织技术加工为织物，应用于可穿戴领域。本专利技术提供的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，以纤维基底为轴心，通过缠裹、沉积、浸涂等方式但不限于这些方法依次将内层电极、第一摩擦生电层、第二摩擦生电层、外层电极层叠附着在纤维基底表面，最后经过封装得到同轴结构。本专利技术提供的上述可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件的制备方法，具体操作流程为：（1）可拉伸纤维状弹性基底的制备：将基底材料（如聚二甲基硅氧烷）和交联剂（如甲基含氢硅油）按照1%-10%质量百分比浓度配成溶液，再将溶液注入内径为0.5-1.0mm范围的热缩管，加热固化之后剥去外层热缩管，即得到纤维状基底（聚二甲基硅氧烷弹性基底）；（2）柔性碳纳米管内层电极的制备：使用步骤（1）制备的纤维状聚二甲基硅氧烷弹性基底，从化学气相沉积得到的碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜并附着于纤维状弹性基底上，在平移台上利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于弹性基底上，控制平移台和电机转速，缠裹一定层数后，再用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密，室温下挥干乙醇，得到缠裹了柔性碳纳米管内层电极的弹性基底；（3）第一摩擦生电层（介电层）的制备：将粒径在0.2-1.0µm范围的介电材料（如聚甲基丙烯酸甲酯微球）分散于乙醇溶液，将步骤（2）所制备的电极竖直放入上述分散液，利用不锈钢片作为对电极，在恒定直流电压下电泳沉积，得到第一摩擦生电层（介电层，如聚甲基丙烯酸甲酯微球层）；（4）第二摩擦生电层（介电层）的制备：将介电材料（如聚二甲基硅氧烷）和交联剂（如甲基含氢硅油）按照1%-10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，其特征在于，利用介电常数不同的高分子材料作为不同的摩擦生电层，取向碳纳米管薄膜作为电荷感应和收集电极；该器件包括：（1）内层电极，由碳纳米管纤维缠在纤维基底表面而成；（2）第一摩擦生电层，为在内层电极外表面的一层介电材料；（3）第二摩擦生电层，为在第一摩擦生电层外面的一层介电材料；（4）外层电极，为缠绕在第二摩擦生电层外的一层碳纳米管纤维；器件封装在高分子材料中。

【技术特征摘要】
1.一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，其特征在于，利用介电常数不同的高分子材料作为不同的摩擦生电层，取向碳纳米管薄膜作为电荷感应和收集电极；该器件包括：（1）内层电极，由碳纳米管纤维缠在纤维基底表面而成；（2）第一摩擦生电层，为在内层电极外表面的一层介电材料；（3）第二摩擦生电层，为在第一摩擦生电层外面的一层介电材料；（4）外层电极，为缠绕在第二摩擦生电层外的一层碳纳米管纤维；器件封装在高分子材料中。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的纤维基底具有弹性，基底材料为高分子材料，其直径为0.1-10mm。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的内层电极和外层电极的碳纳米管纤维，具有取向结构与良好的导电性，其电阻为200-1000Ω/cm，厚度为20-2000nm；碳纳米管纤维以不同角度缠绕在基底表面。4.根据权利要求1、2或3所述的器件，其特征在于，所述的介电材料具有摩擦生电能力，其中第一摩擦生电层与第二摩擦生电层具有相反的摩擦生电序列，第一摩擦生电层和第二摩擦生电层之间形成摩擦界面，其距离为1-200μm，在外力作用下二者发生接触或分离。5.根据权利要求4所述的器件，其特征在于，所述介电材料分别为易带正电与易带负电的聚合物材料，易带正电的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚醋酸纤维素、聚醋酸乙烯酯、聚乳酸，其粒径为0.01-10.0μm；制备方法包括电泳沉积、胶体自组装方式，形成的表面具有微纳尺度的凸起结构，厚度为10-100μm；易带负电的材料选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚对苯二甲酸乙二醇酯，制备方法包括高分子溶液浸涂、沾涂或者单体原位聚合，形成的表面构建有直径为0.1-100μm，厚度为10-100μm的规则或不规则孔，形成一种凹陷状结构；两种摩擦层在所列举的材料中选择带正、负电的材料搭配。6.根据权利要求1或5所述的器件，其特征在于，两种摩擦层组合为：聚甲基丙烯酸甲酯/聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯/聚偏氟乙烯、聚苯乙烯/聚四氟乙烯或聚醋酸纤维素/聚氯乙烯。7.如权利要求1所述的器件的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭慧胜，禹兴海，潘剑，孙雪梅，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31