一种基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器制造技术

一种基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器，涉及能量收集器。设有全氟磺酸树脂有序纤维柱、聚二甲基硅氧烷弹性壳体、金属电极和阳离子溶液。所述全氟磺酸树脂有序纤维柱外部包裹聚二甲基硅氧烷弹性壳体，聚二甲基硅氧烷弹性壳体外形呈阶梯状，全氟磺酸树脂有序纤维柱内部充满离子溶液，全氟磺酸树脂有序纤维柱内部上下两端分别与金属电极相连。输出功率提高。通过使Nafion基膜纤维化，使离子迁移具有方向性，缩短了阳离子的迁移路径，提高了基膜的质子电导率；可以承受较大负载力，负载频率也得到提高。结构简单，易于实现；可用作微型能量收集装置，环保、无噪声、便携。

A IPMC fiber membrane based on ordered energy collector

A IPMC energy harvester based on ordered fiber basement membrane relates to energy collector. The resin is composed of an ordered resin fiber column, a two silicone elastomer shell, a metal electrode and a cationic solution. The perfluorinated sulfonic acid resin and orderly fiber columns externally wrapped PDMS elastic shell, PDMS elastic shell shape ladder, Nafion ordered fiber column internal full ion solution, perfluorinated sulfonic acid resin and orderly fiber column within the upper and lower ends respectively connected with the metal electrodes. Increase output power. Through the Nafion membrane to fibrosis, ion migration direction, shorten the migration path of cation, improve membrane proton conductivity; can bear larger load, the load frequency is also improved. The structure is simple and easy to implement; it can be used as a micro energy collection device, environmental protection, noise free and portable.

【技术实现步骤摘要】
一种基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器
本技术涉及能量收集器，尤其是涉及一种基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器。
技术介绍
离子聚合物金属复合物(IPMC)是在全氟磺酸树脂(Nafion)表面镀上金属铂电极，形成一种“三明治”结构的智能材料；IPMC在一定频率(<100HZ)的负载变形下，会在其厚度方向产生电压和电流。基于IPMC这种力电输出特性，国内外研究人员已开展IPMC的能量收集应用研究，目前的研究主要集中于探索适合的能量收集模式，如美国纽约大学Porfiri[1]课题组将IPMC贴于柔性旗摆上，通过水流带动旗帜摆动使IPMC产生变形来研究IPMC的能量输出特性，但是目前IPMC功率输出普遍较低，因此研究学者们致力于如何提高IPMC的能量输出。现有的IPMC基膜材料主要选用全氟磺酸树脂基膜，该基膜主要通过流延工艺和浇铸工艺进行制备。参考文献：[1]GiacomelloA.,PorfiriM.Energyharvestingfromflutterinstabilitiesofheavyflagsinwaterthroughionicpolymermetalcomposites[C]//SPIESmartStructuresandMaterialsNondestructiveEvaluationandHealthMonitoring.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2011:797608-7976089。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于有序纤维基膜的离子聚合物金属复合物(IPMC)能量收集器。本技术设有全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱、聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性壳体、金属电极和阳离子溶液。所述全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱外部包裹聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性壳体，聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性壳体外形呈阶梯状，全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱内部充满离子溶液，全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱内部上下两端分别与金属电极相连。当全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱受压变形时，纤维柱内阳离子发生迁移，导致纤维柱内局部阳离子浓度发生改变，在纤维柱两端产生电势差。所述弹性壳体材料包裹于纤维柱四周，弹性壳体可反复变形且不易损坏，解决了Nafion纤维柱变形回弹性差的问题。所述金属电极与纤维柱两端直接相连，用于外部电路的连接，通过导线连接外部设备，实现能量收集过程。现有的全氟磺酸树脂基膜的内部通道错综复杂不利于离子的传输，因此本技术提出采用有序纤维基膜制备IPMC能量收集器，利于IPMC内部离子的传输，提高IPMC的能量输出。本技术的优点在于：(1)相比于传统的IPMC器件，输出功率提高。本技术通过使Nafion基膜纤维化，使离子迁移具有方向性，缩短了阳离子的迁移路径，提高了基膜的质子电导率；(2)由于IPMC工作过程需要水分，现有IPMC能量收集应用主要局限在水环境中，本技术采用纤维封装方式，实现IPMC能量收集在空气环境中的应用；(3)相比于传统的IPMC器件，由于采用弹性壳体，本技术可以承受较大负载力，负载频率也得到提高；(4)本技术结构简单，易于实现；可用作微型能量收集装置，环保、无噪声、便携。附图说明图1为本技术实施例的结构及尺寸参数。具体实施方式本技术基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器实施例如图1所示。本技术设有Nafion有序纤维柱1、PDMS弹性壳体2、铂电极3以及氯化锂溶液4。能量收集器中心为Nafion有序纤维柱1，纤维柱直径4mm，高5mm，Nafion纤维柱外部包裹PDMS弹性壳体2，弹性壳体2外形呈阶梯状，总高5mm，阶梯上端直径6mm，下端直径9mm，下端高3mm。纤维柱1上下两端与铂电极3相连，内部充满氯化锂溶液4。铂电极3与纤维柱1上下两端直接相连，通过导线连接外部设备，实现能量收集。所述的Nafion有序纤维柱1采用静电纺丝方法制得。电纺溶液为Nafion与聚氧化乙烯(PEO)的共混溶液，其浓度为99％，在电压4kV、极间距50mm、供液速度150μl/h的条件下，电纺制得Nafion有序纤维基膜。所述的PDMS弹性壳体2采用质量比为25︰1的基体液与固化剂混合物，浇筑形成纤维柱的弹性外壳，此比例下制成的PDMS壳体弹性适中，工作时驱动外力相对较小。同时，由于PDMS本身是疏水材料，可以保持纤维柱中水分减缓流失。所述的铂电极3通过化学镀的方法，将铂氨溶液在纤维柱两端还原生成铂电极，由于铂电极3直接通过化学反应生成，保证了铂电极3与纤维柱1的良好接触且不易脱落。二次化学还原镀的过程如下：1、主化学还原镀：1)超声清洗：将PDMS弹性壳体2包裹的Nafion纤维柱1超声清洗30min，以去除纤维柱端面上附着的杂质。2)浸泡铂铵溶液：配制0.01mol/L的[Pt(NH3)4]Cl2溶液(摩尔质量为334g/mol)，称取32mg铂铵粉末，将铂铵粉末溶解到去离子水中，配制成10ml铂铵溶液。将Nafion纤维柱1置于铂铵溶液中浸泡24h。3)配制还原剂：称取2gNaBH4晶体，配制成40ml质量分数为5％的NaBH4溶液。4)主化学镀过程：将恒温水浴锅预热到40℃。用镊子夹取纤维柱置于含180ml去离子水的烧杯中，向烧杯中滴加1ml氨水使溶液呈弱碱性，使用电动搅拌器低速搅拌，并同时进行水浴加热。每隔30min向烧杯中滴加2mlNaBH4溶液并同时升高温度5℃，直至温度升高到60℃。当温度升高到60℃时，一次性滴加20mlNaBH4溶液，至少保持2h反应时间，使Nafion纤维中的Pt离子能够充分还原出来沉积在Nafion纤维柱1的两端。5)超声清洗：将完成主还原反应镀的Nafion纤维柱1放入稀硫酸溶液中浸泡1h，超声清洗30min。2、次化学还原反应镀：称取20mg[Pt(NH3)4]Cl2粉末，将其溶解到60ml去离子水中，配制成铂铵溶液，并向溶液中滴加0.5ml氨水。配制40ml质量分数为5％的氢氯羟胺(NH2OH·HCl)溶液和20ml体积分数为20％的水合肼(N2H4·1.5H2O)溶液。将完成主化学还原反应的纤维柱1放入到40℃的铂铵溶液中，使用电动搅拌器低速搅拌。每隔30min向溶液中加入2ml氢氯羟胺溶液和1ml水合肼溶液，并升高温度5℃，直至温度升高到60℃。最后一次加入20ml氢氯羟胺溶液和10ml水合肼溶液，在60℃反应2h，当反应结束后，先将器件在稀硫酸中浸泡1h，再在去离子水中超声清洗30min，去除杂质。所述的能量收集器中的氯化锂溶液4通过将电极制备完成后的能量收集器浸泡入浓度为1mol/L氯化锂溶液，静置24h后获得。通过上述方法形成的IPMC能量收集器，当PDMS弹性壳体2两端受到外力作用时，弹性壳体2发生形变，使Nafion纤维柱1体积发生变化，沿锂离子沿纤维柱1方向发生迁移，进而在IPMC能量收集器两端产生电压；铂电极3通过导线连接在外部设备上，实现能量收集与储存。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器，其特征在于设有全氟磺酸树脂有序纤维柱、聚二甲基硅氧烷弹性壳体、金属电极和阳离子溶液；所述全氟磺酸树脂有序纤维柱外部包裹聚二甲基硅氧烷弹性壳体，聚二甲基硅氧烷弹性壳体外形呈阶梯状，全氟磺酸树脂有序纤维柱内部充满离子溶液，全氟磺酸树脂有序纤维柱内部上下两端分别与金属电极相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器，其特征在于设有全氟磺酸树脂有序纤维柱、聚二甲基硅氧烷弹性壳体、金属电极和阳离子溶液；所述全氟磺酸树脂有序纤维柱外...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵扬，盛家正，孟庆龙，林昌明，许展豪，张陈应，李春蕾，张喆，杨剑洪，张杰，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：新型
国别省市：福建,35