一种含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件及其制备和应用，器件由银纳米线AgNWs、聚二甲基硅氧烷PDMS依次包覆在尼龙布表面，氟硅烷接枝在PDMS表面组成。制备：将银纳米线包覆尼龙布(AN布)浸入聚二甲基硅氧烷PDMS中，取出后固化，得到包覆PDMS的AN布(PDMS/AN布)；将PDMS/AN布经等离子体处理后浸入FAS溶液中，烘干，即得。既可用于摩擦纳米发电机将机械能转化为电能并为小型器件供电，又能作为可穿戴热管理设备为人体保暖以及加热。本发明专利技术中采用简单的浸涂法将氟硅烷接枝在PDMS表面，极大地提高了摩擦纳米发电机的输出性能。

【技术实现步骤摘要】
一种含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件及其制备和应用
本专利技术属于能量管理器件及其制备和应用领域，特别涉及一种含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件及其制备和应用。
技术介绍
可穿戴器件的快速发展给人们生活带来很多便利的同时也为其能源供应问题带来了巨大的挑战。虽然单个可穿戴器件的功率并不高，但是其使用的广泛性与持续性使得现有的可穿戴器件续航时间难以满足使用者的要求。此外，传统的电池能源还存在着安全性差，对环境污染大等诸多缺点。因此，为可穿戴器件持续、高效的供能成为一个亟需解决的问题。来自人体本身的机械能持续性强，可利用范围广，包括行走、跑步、打字、触摸手机屏幕甚至眨眼，呼吸等活动方式，都可以成为能量的来源。摩擦纳米发电机(Triboelectricnanogenerator,TENG)是一种利用摩擦起电效应及静电感应原理将机械能转化为电能的器件(WangZ.L.,etal.NanoEnergy,2012,1,328)。TENG输出电压高、绿色环保、安全性好、轻便、成本低、可集成化程度高，这些优点都使其有很大的潜力成为可穿戴电源。利用摩擦起电原理将机械能转化为电能的研究虽然已经较为深入，但是TENG的输出效率仍有待提高。保暖是人类最基本的需求之一。室内暖气供应是最普遍也最耗能的保暖措施。室内供暖占全球能量消耗的47％之多，且成为导致全球变暖的因素之一(Cui,Y.,etal.NanoLetters2015,15,365)。个人热管理系统，包括针对于人体的可穿戴保暖及电加热设备，为人体保暖提供了一种节能有效的方法。此外，可穿戴电加热器在医疗保健方面有着重要的应用。传统的加热器，如暖水袋、暖宝宝等产品具有温度不可控、发热不均匀和便携性差等诸多缺点。
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含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件及其制备和应用，该方法所需生产设备简单，操作简便，实验条件温和。所得的多功能个人能量管理器件，有效整合了转能、保温及电加热三种功能，具有高柔性及良好的稳定性，适用于可穿戴领域。本专利技术的一种含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件，所述器件为：银纳米线AgNWs、聚二甲基硅氧烷PDMS依次包覆在尼龙布表面，氟硅烷接枝在PDMS表面，形成含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件。所述银纳米线AgNWs的负载量为0.7mg/cm2～1.0mg/cm2；包覆PDMS的厚度为200μm-500μm。本专利技术的一种含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件的制备方法，包括：(1)将尼龙布浸入银纳米线的乙醇溶液中，取出后烘干，得到银纳米线包覆尼龙布AN布；(2)将银纳米线包覆尼龙布(AN布)浸入PDMS中，取出后固化，得到包覆PDMS的AN布(PDMS/AN布)；(3)将氟硅烷FAS与异丙醇混合后加入HCl溶液水解，得到FAS溶液，然后将PDMS/AN布经等离子体处理后浸入FAS溶液中，烘干，即得含氟硅烷疏水表层(低表面能层)的个人能量管理器件(表面接枝了单分子层FAS的PDMS/AN布(FPAN布))。所述步骤(1)中银纳米线的乙醇溶液的浓度为2-2.5mg/mL；银纳米线包覆尼龙布AN布中银纳米线的负载量为0.7mg/cm2～1.0mg/cm2。所述步骤(2)中聚二甲基硅氧烷PDMS与固化剂的质量比为10:1。所述固化剂为Sylgard184,TowCorning。所述步骤(2)中包覆PDMS的厚度为200μm-500μm。所述步骤(3)中FAS溶液的浓度为1.0wt％-1.5wt％，FAS中的甲氧基水解为羟基，与基体在室温下发生缩聚反应。所述步骤(3)中等离子体处理具体为：在等离子体处理仪中处理，功率为200W，处理时间为3-6min。本专利技术的一种含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件的应用，作为可穿戴能量管理器件的应用或作为摩擦纳米发电机的应用。本专利技术制备的个人能量管理器件将转能、保温及产热多功能集成于一体，有效转化机械能为电能并节省大量用于人体保温的能量，可用作可穿戴电子器件的供电元件、随身保暖及加热器件。所述步骤(3)中涉及的氟硅烷接枝过程为：FAS(C8F13H4Si(OR)3,)中的分子末端烷氧基水解生成活性羟基，硅羟基与基底的含氧官能团反应生成牢固的硅氧键，而FAS分子中的氟烷基之间不发生反应，因此，FAS以稳定的单分子层接枝在PDMS的表面。本专利技术中FPAN布表面接枝的FAS单分子层将TENG输出电压与电流提升了近十倍，达到590V及12.6μA。当外接电阻值为100MΩ时，TENG达到了2.8W/m2的最高功率，能够在500s的时间内将4.7μF的电容器充电之12V，并可以单独点亮247个串联的LED灯。本专利技术中FPAN布中的银纳米线网络能够有效将人体发射的红外线反射回人体，提供比普通布料多8％的热量阻隔，减少了人体的热辐射损失。此外，FPAN布可作为温度可控、加热均匀的可穿戴加热器，其高柔性保证了在折叠、扭曲、揉搓的情况下均能正常工作。本专利技术得到的多层包覆结构的FPAN布是一种可穿戴能量管理设备具有多种功能：既可用于摩擦纳米发电机将机械能转化为电能并为小型器件供电，又能作为可穿戴热管理设备为人体保暖以及加热。本专利技术中采用简单的浸涂法将氟硅烷接枝在PDMS表面，极大地提高了摩擦纳米发电机的输出性能。银纳米线网络结构使器件对人体红外线具有较大的反射作用从而可用于人体保暖。此外，FPAN布中银纳米线的均匀分布使其可用于均匀加热、温度可控且具有极高的柔性的可穿戴加热器，直接作用于人体皮肤，避免了加热周围空间及物体所带来的能源浪费问题。有益效果(1)本专利技术引入了氟硅烷疏水层结构，低表面能涂层促进了摩擦面在工作过程中的有效分离，提高了材料在摩擦过程中产生的电荷量，从而有效提高器件输出功率；(2)本专利技术采用浸涂法实现了集成多功能的多层包覆结构个人能量管理器件的制备，银纳米线均匀包覆于尼龙布上，作为导电电极的同时能够起到反射红外线的作用，实现了器件的多功能的集成；(3)本专利技术所得个人能量管理器件作为转能器件使用时，具有较高的输出功率，有望作为可穿戴器件的能源使用；在个人热管理应用方面，能够有效地为人体保温且具有直接作用于人体的温度可控、加热均匀以及安全的电加热功能，这使得其在可穿戴多功能器件领域有很好的应用前景。附图说明图1：实施例1中个人能量管理器件制备流程示意图；图2：实施例1中AgNWs包覆尼龙布的SEM照片；其中a为AgNWs包覆尼龙布纤维的低倍SEM照片，a中的插图为AgNWs包覆尼龙布纤维的高倍SEM照片；b为；AgNWs的间距为200-300nm之间；图3：实施例1中FPAN布的截面SEM照片；其中a为低倍照片b为高倍照片；图4：实施例1中个人能量管理器件转化机械能的输出性能：其中a、开路电压，b、短路电流，c、电路连接不同外接电阻时，其对应的电压与电流，d、电路连接不同外接电阻时的瞬时功率，d中的插图为器件点亮LED灯的数码照片；图5：实施例1中个人能量管理器件保温性能及电加热性能；其中a为普通尼龙布(上)与FPAN布(下)放在手掌上的红外热成像图，a中插图为相应的数码照片；b柔性FPAN布在手背上进行加热的红外热成像图，b中的插图为相应的数码照片；c为普通尼龙布与FPAN布在50℃的热台上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件的制备方法，包括：(1)将尼龙布浸入银纳米线的乙醇溶液中，取出后烘干，得到银纳米线包覆尼龙布AN布；(2)将银纳米线包覆尼龙布AN布浸入PDMS中，取出后固化，得到包覆PDMS的AN布PDMS/AN布；(3)将氟硅烷FAS与异丙醇混合后加入HCl溶液，得到FAS溶液，然后将PDMS/AN布经等离子体处理后浸入FAS溶液中，烘干，即得。

【技术特征摘要】
1.一种含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件的制备方法，包括：(1)将尼龙布浸入银纳米线的乙醇溶液中，取出后烘干，得到银纳米线包覆尼龙布AN布；(2)将银纳米线包覆尼龙布AN布浸入PDMS中，取出后固化，得到包覆PDMS的AN布PDMS/AN布；(3)将氟硅烷FAS与异丙醇混合后加入HCl溶液，得到FAS溶液，然后将PDMS/AN布经等离子体处理后浸入FAS溶液中，烘干，即得。2.根据权利要求1所述的一种含氟硅烷疏水表层的个人能量管理器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中银纳米线的乙醇溶液的浓度为2-2.5mg/mL；银纳米线包覆尼龙布...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青红，郭隐犇，李克睿，王宏志，李耀刚，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31