表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机及其制备制造技术

本发明专利技术提供了一种表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机及其制备方法。所述的表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：表面覆盖含氨基高分子的静电纺摩擦电正性纤维薄膜，以及静电纺摩擦电负性纤维薄膜；所述的静电纺摩擦电正性纤维薄膜和静电纺摩擦电负性纤维薄膜的背面皆设有电极材料。经过氨基修饰后的摩擦纳米发电机短路电量提高20～500％，短路电流提高30～500％，开路电压提高50～500％。本发明专利技术工艺流程短，设备简单，成本低廉，电输出性能提升显著，在可穿戴和微纳能源领域有着广泛应用前景。

Surface amido modified electrospun fiber based friction Nanogenerator and its preparation

The present invention provides an electrospun fiber based friction Nanogenerator with an amino - modified surface and a preparation method. Electrospun fiber based friction nano generator surface amino modified said, characterized by including: covering the surface of electrospun fiber friction electropositive amino containing polymer film, and electrostatic spinning friction electronegative fiber film; the back side of the electrospun fiber membrane and positive triboelectric electrostatic spinning electric negative friction fiber film with electrode materials. The short circuit of the friction nanoscale after the amido modification is increased by 20 to 500%, the short circuit current is raised by 30 to 500%, and the open circuit voltage is increased by 50 to 500%. The invention has short process flow, simple equipment, low cost, and remarkable electrical output performance, and has a wide application prospect in the field of wearable and micro energy sources.

【技术实现步骤摘要】
表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机及其制备
本专利技术属于纳米能源及摩擦纳米发电机领域，具体涉及一种表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机及其制备方法。
技术介绍
随着现代社会发展，电子设备及系统不断朝着小型化、便携化、多功能化等方向演变。如何为微型功能器件和可穿戴设备提供长效稳定电能成为电子产业和信息技术发展中亟待解决的问题。摩擦纳米发电机能将环境中广泛分布的机械能，包括人体运动能、声能等能量直接转化成电能，具有较高的能量转化效率。并且摩擦纳米发电机具有质轻、材料选择性广、设计多样等特点，能和织物、运动鞋等服饰有机复合，能为可穿戴电子设备提供长效稳定能源。摩擦纳米发电机具有高电压、低电流的输出特性，并且表面电荷密度较低，电量输出较小，因此限制了其实际应用。为了改善电输出性能，目前主要通过优化摩擦材料的表面结构和化学组成来实现。在优化材料表面结构方面，广泛采用等离子体刻蚀、纳米压印技术、电化学腐蚀等方法，在材料表面形成纳米线、纳米棒、纳米孔等粗糙结构，来增加接触材料的比表面积。国内专利CN104779832A公开了一种采用通过氟碳等离子体处理工艺，在聚合物表面形成微纳结构，从而提高摩擦发电机的电输出性能。国内专利CN104167949A公开了一种加热及凹凸压印处理技术，获得带有微纳凹凸结构的高分子薄膜层。但是以上这些制备纳米结构的方法所用设备昂贵、工艺复杂、成本较高，不利于大规模工业推广。在化学组成方面，目前往往采用含氟分子对摩擦电负性材料进行修饰。国内专利CN103391021A公开了采用八氟环丁烷对材料进行化学修饰，增强其电负性。但是目前缺乏对摩擦电正性材料进行化学修饰的有效方法，限制了进一步提升摩擦纳米发电机输出性能的空间。因此急需开发一种简单高效的制备工艺，既能有效获得摩擦材料表面所需的微纳结构，又能采用绿色环保技术对摩擦电正性材料进行化学组成优化，提升电输出性能和能量转换效率，以拓宽摩擦纳米发电机在可穿戴和微纳能源领域的应用范围。
技术实现思路
本专利技术提供一种表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机及其制备方法，通过静电纺丝技术一步制备得到具有纳米纤维结构的薄膜，提高摩擦材料的粗糙度，并采用含氨基高分子修饰摩擦电正性纤维薄膜，提升摩擦纳米发电机的电输出性能。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：表面覆盖含氨基高分子的静电纺摩擦电正性纤维薄膜，以及静电纺摩擦电负性纤维薄膜；所述的静电纺摩擦电正性纤维薄膜和静电纺摩擦电负性纤维薄膜的背面皆设有电极材料。优选地，所述的静电纺摩擦电正性纤维薄膜和静电纺摩擦电负性纤维薄膜分别设于两个支撑平板上，所述的两个支撑平板通过弹性材料连接。更优选地，所述的两个支撑平板间形成可接触分离的间距。更优选地，所述的两个支撑平板间形成的间距高度为0.5～20mm。优选地，所述的表面覆盖含氨基高分子的静电纺摩擦电正性纤维薄膜的厚度为5-80μm，所述的静电纺摩擦电负性纤维薄膜的厚度为5-80μm。本专利技术还提供了上述的表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括：步骤一：分别配制至少一种含摩擦电正性聚合物的溶液和至少一种含摩擦电负性聚合物的溶液；步骤二：将所述的含摩擦电正性聚合物的溶液和含摩擦电负性聚合物的溶液通过静电纺丝技术分别制备摩擦电正性纤维薄膜和摩擦电负性纤维薄膜；步骤三：采用含氨基的高分子水溶液对摩擦电正性纤维薄膜进行加工处理，烘干后得到表面覆盖含氨基高分子的摩擦电正性纤维薄膜；步骤四：分别在表面覆盖含氨基高分子的摩擦电正性纤维薄膜和摩擦电负性纤维薄膜的背面加工处理上电极材料，分别置于两个支撑平板上，并将两个支撑平板通过弹性材料连接，形成摩擦纳米发电机。优选地，所述的步骤一中的摩擦电正性聚合物为：聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺11、聚酰胺12、聚酰胺6、聚酰胺66、聚己内酯、丝素、棉、醋酸纤维素、聚丁二酸乙二醇酯、聚己二酸乙二醇酯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯腈、聚醋酸乙烯中的一种，或者任意两种以上的混合物。优选地，所述的含摩擦电正性聚合物的溶液的浓度为2～50％。优选地，所述的步骤一中的摩擦电负性聚合物为：聚偏氟乙烯、聚三氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯醚、氟化聚氨酯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酰亚胺中的一种，或者任意两种以上的混合物。优选地，所述的含摩擦电负性聚合物的溶液的浓度为2～50％。优选地，所述的配制方法包括将聚合物加入到相应的溶剂中，在20～100℃并持续搅拌2～48h直至形成均一稳定的溶液。优选地，所述的步骤二中的静电纺丝指：单种溶液的单针头纺丝、多针头纺丝，两种以上不同溶液的多针头混合纺丝；所述的步骤二中的静电纺丝的技术参数为：灌注速度0.05～5mL/h，电压10～90kV，接收距离10～100cm，温度10～35℃，相对湿度20～80％。优选地，所述的步骤三中的含氨基的高分子为：聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、壳聚糖、聚乙烯胺、聚甲基丙烯酸氨基乙酯以及明胶中的一种，或者任意两种以上的混合物。优选地，所述的含氨基的高分子水溶液的浓度为0.0001～50％。优选地，所述的步骤三中的加工处理方法为：浸渍加工、涂层加工、浸轧加工以及喷雾加工中的一种或多种组合。优选地，所述步骤四中的电极材料为：铜、银、金、铝、铁、铜合金、铝合金、铟锡氧化物、石墨烯、碳纳米管、碳纤维以及石墨中的一种或者多种。优选地，所述的步骤四中的支撑平板为：聚甲基丙烯酸甲酯平板、聚对苯二甲酸乙二醇酯平板、铝平板、铜平板、木平板、石英平板、玻璃平板以及陶瓷平板中的一种或多种；所述的步骤四中的弹性材料为：海绵、弹簧、聚酰亚胺胶带中的一种或多种。更优选地，所述的步骤四中两个支撑平板通过弹性材料连接后，两个支撑平板间形成可接触分离的间距。更优选地，所述的步骤四中两个支撑平板的间距高度为0.5～20mm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、和等离子体刻蚀、纳米压印技术、电化学腐蚀等方法，在材料表面形成纳米线、纳米棒、纳米孔等粗糙结构相比。本专利技术采用静电纺丝技术一步法直接制备具有特定微纳结构的摩擦材料，具有设备简单、工艺简便、成本低等特点。2、本专利技术采用含氨基高分子水溶液对摩擦电正性纤维薄膜进行表面改性，工艺简便绿色环保，并且能有效提升摩擦材料的正电荷密度，增强纳米发电机的电输出性能以及能量转化效率。经过氨基修饰后的摩擦纳米发电机短路电量提高20～500％，短路电流提高30～500％，开路电压提高50～500％。3、本专利技术制备的基于静电纺的摩擦纳米发电机，可与人体服装有机结合形成可穿戴摩擦纳米发电机，用于高效收集人体运动机械能为电子器件提供源源不断的电能。4、本专利技术工艺流程短，设备简单，成本低廉，电输出性能提升显著，在可穿戴和微纳能源领域有着广泛应用前景。附图说明图1为实施例1中制备得到的一种表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机结构示意图，其中1为有机玻璃板，2为铜胶带，3为聚丙烯酰胺改性后的醋酸纤维素/聚氨酯纤维膜，4为聚偏氟乙烯纤维薄膜，5为聚酰亚胺胶带。图2为实施例1聚丙烯酰胺改性前后的摩擦纳米发电机电输出性能，(a)短本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：表面覆盖含氨基高分子的静电纺摩擦电正性纤维薄膜，以及静电纺摩擦电负性纤维薄膜；所述的静电纺摩擦电正性纤维薄膜和静电纺摩擦电负性纤维薄膜的背面皆设有电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：表面覆盖含氨基高分子的静电纺摩擦电正性纤维薄膜，以及静电纺摩擦电负性纤维薄膜；所述的静电纺摩擦电正性纤维薄膜和静电纺摩擦电负性纤维薄膜的背面皆设有电极材料。2.权利要求1所述的表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括：步骤一：分别配制至少一种含摩擦电正性聚合物的溶液和至少一种含摩擦电负性聚合物的溶液；步骤二：将所述的含摩擦电正性聚合物的溶液和含摩擦电负性聚合物的溶液通过静电纺丝技术分别制备摩擦电正性纤维薄膜和摩擦电负性纤维薄膜；步骤三：采用含氨基的高分子水溶液对摩擦电正性纤维薄膜进行加工处理，烘干后得到表面覆盖含氨基高分子的摩擦电正性纤维薄膜；步骤四：分别在表面覆盖含氨基高分子的摩擦电正性纤维薄膜和摩擦电负性纤维薄膜的背面加工处理上电极材料，分别置于两个支撑平板上，并将两个支撑平板通过弹性材料连接，形成摩擦纳米发电机。3.如权利要求2所述的表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中的摩擦电正性聚合物为：聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺11、聚酰胺12、聚酰胺6、聚酰胺66、聚己内酯、丝素、棉、醋酸纤维素、聚丁二酸乙二醇酯、聚己二酸乙二醇酯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯腈、聚醋酸乙烯中的一种，或者任意两种以上的混合物；所述的含摩擦电正性聚合物的溶液的浓度为2～50％。4.如权利要求2所述的表面氨基修饰的静电纺纤维基摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中的摩擦电负性聚合物为：聚偏氟乙烯、聚三氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯醚、氟化聚氨酯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酰亚胺中的一种，或者任意两种以上的混合物；所述的含摩擦电负性聚合物的溶液的浓度为2～...

【专利技术属性】
技术研发人员：李召岭，沈家力，丁彬，俞建勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31