一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机及其制备和应用。该发电机包括：在弹性保护层(1)的一侧从上而下依次设有上电极层(2)、内有机铁电纳米纤维层(3)、第一聚合物摩擦层(4)，在弹性保护层(1)的另一侧从上而下依次设有第二聚合物摩擦层(同时为外有机铁电纳米纤维层)(5)、下电极层(6)，外力作用下弹性保护层(1)的两侧发生接触分离，从而向外输出交流电。该制备利用静电纺丝高压静电场对铁电纳米纤维的极化作用，达到纺丝‑极化一体化的效果，简化了铁电材料的制备和极化工艺；通过添加两层有机铁电纳米纤维层，能使电学输出性能成倍上升，增益效果明显，为可穿戴电子设备的供电提供了一种可行方案。

An organic ferroelectric nanofiber reinforced friction Nanogenerator and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机及其制备和应用
本专利技术属于发电机及其制备和应用领域，特别涉及一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。
技术介绍
随着柔性可穿戴电子器件的飞速发展，人们对电子产品的用户体验提出了越来越高的诉求，解决柔性器件的自供能问题就显得尤为重要。2012年美国佐治亚理工学院的王中林院士利用摩擦起电和静电感应的耦合原理，专利技术了世界上第一台摩擦纳米发电机。这种发电机可以收集日常的行走、雨滴的拍打、海浪的翻滚等各种环境中无规则的低频机械能。然而，目前摩擦纳米发电机的输出电流通常在纳安、微安数量级，难以持续有效地为可穿戴设备供电。因此，如何增大摩擦纳米发电机的输出电流，提高其输出功率是当前研究的热点。提高摩擦纳米发电机输出功率的研究主要包括以下几个方面：①选择合适的摩擦材料，提高两种材料在接触时电荷的转移量(SeungW,etal.AdvancedEnergyMaterials,2017,7(2):1600988.)；②在摩擦材料表面生长各种微纳结构，增大摩擦材料的表面粗糙度和比表面积(CN104779832A；CN107623459A)；③合理设计摩擦纳米发电机的结构，增加摩擦单元的数量(CN105490578A)。但这些提高输出的方法往往会提高材料的成本，增加制备工艺的复杂程度，使得器件结构变得繁琐，难以大规模产业化应用。专利CN109149992A提出了一种改进型摩擦纳米发电机，利用铁电材料实现了摩擦纳米发电机输出性能的大幅提升，但其铁电材料的制备和极化工艺复杂。文献YuB,NanoEnergy,2017,34:69-75.报道了一种以静电纺丝制备的纳米纤维毡作为摩擦极性材料，利用纳米纤维的高比表面积和良好的电子转移性能，为提高摩擦纳米发电机的功率输出提供了新思路。
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有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机及其制备和应用，以克服现有技术中提高摩擦纳米发电机输出功率成本高、工艺复杂等缺陷。本专利技术提供了一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括：在弹性保护层的一侧从上而下依次设有上电极层、内有机铁电纳米纤维层、第一聚合物摩擦层，在弹性保护层的另一侧从上而下依次设有第二聚合物摩擦层、下电极层；所述第二聚合物摩擦层同时为外有机铁电纳米纤维层；在外力作用下弹性保护层的一侧与另一侧能够闭合，使第一聚合物摩擦层和第二聚合物摩擦层发生接触，外力撤去后，在所述弹性保护层回弹力的作用下，第一聚合物摩擦层和第二聚合物摩擦层发生分离。所述弹性保护层采用弹性布料或弹性胶带，起到保护和回弹作用。所述上电极层和下电极层选用导电性能良好的材料。所述上电极层和下电极层均采用导电薄膜，所述导电薄膜材料选自铜箔、铝箔、金箔或铟锡金属氧化物。所述内有机铁电层选用常见的铁电聚合物材料，如聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、尼龙5、尼龙7或尼龙11。所述第一聚合物摩擦层选用捕获电子能力弱的材料，如尼龙、羊毛、丝绸、再生海绵或纸。所述第二聚合物摩擦层(同时为外有机铁电纳米纤维层)选用捕获电子能力强的铁电材料，如聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物。本专利技术还提供一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机的制备方法，包括：(1)静电纺丝制备内有机铁电纳米纤维层、第二聚合物摩擦层；所述第二聚合物摩擦层同时为外有机铁电纳米纤维层；(2)裁剪弹性保护层材料，沿中线分成左右两面；在弹性保护层的右面和左面表面分别贴上面积为弹性保护层一半的上电极层、下电极层；在上电极层、下电极层表面分别外接一条铜箔作为输出电极，下电极层表面贴上第二聚合物摩擦层，上电极层表面依次贴上内有机铁电纳米纤维层、第一聚合物摩擦层；(3)将贴好的器件沿弹性保护层的中线对折，使弹性保护层的右面在上部，热压压实，得到有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机。所述步骤(1)中静电纺丝的工艺参数为：当纺丝液的材料选自尼龙5、尼龙7或尼龙11时，纺丝液浓度6～8wt％，纺丝溶剂为甲酸，纺丝电压18～22kV，纺丝距离13～18cm，推进速度0.15～0.25mL/h；当纺丝液的材料选自聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯三氟乙烯共聚物或聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物时，纺丝液浓度12～20wt％，纺丝液溶剂为N,N-二甲基甲酰胺和丙酮，纺丝电压为18～22kV，纺丝距离为13～18cm，推进速度为0.5～1mL/h。所述步骤(3)中热压温度为100～180℃，热压时间为30～120s，热压压力为5～10MPa。本专利技术还提供一种上述摩擦纳米发电机的应用。有益效果本专利技术利用静电纺丝高压静电场对铁电纳米纤维的极化作用，达到纺丝-极化一体化的效果，简化了铁电材料的制备和极化工艺。通过添加两层低成本的有机铁电纳米纤维层，能有效增加摩擦层表面的电荷累积量，提高摩擦纳米发电机的电流和电压输出。本专利技术制备简单，增益效果明显，为可穿戴电子设备的供电提供了一种可行方案。附图说明图1为本专利技术有机铁电纳米纤维增强摩擦纳米发电机的结构示意图。图2为本专利技术静电纺丝制备有机铁电纳米纤维(a)聚偏氟乙烯，(b)尼龙11的SEM显微照片。图3为本专利技术(a)静电纺丝过程对铁电纤维的极化过程示意图，(b)聚偏氟乙烯铁电纳米纤维的电滞回线。图4为实施例1中有机铁电纳米纤维增强摩擦纳米发电机作为电压源和电流源的输出信号。图5为实施例2中有机铁电纳米纤维增强摩擦纳米发电机作为电压源和电流源的输出信号。图6为对比例1中外有机铁电纳米纤维增强摩擦纳米发电机作为电压源和电流源的输出信号。图7为对比例2中摩擦纳米发电机作为电压源和电流源的输出信号。图8为本专利技术有机铁电纳米纤维增强摩擦纳米发电机用于驱动(a)发光二极管和(b)场致发光点阵。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例中原料及试剂来源：聚偏氟乙烯(分子量Mw＝15.0×104，阿拉丁试剂)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(分子量Mw＝15.0×104，阿拉丁试剂)、尼龙7(分子量Mw＝6.0×104，阿拉丁试剂)、尼龙11(分子量Mw＝6.0×104，阿拉丁试剂)；甲酸(化学纯，国药试剂)、N,N-二甲基甲酰胺(化学纯，国药试剂)、丙酮(化学纯，国药试剂)。弹性布料、弹性胶带、铝箔、铜箔、透明胶带、再生海绵、A4纸均为商业化可得的材料。有机铁电纤维增强的摩擦纳米发电机的电学输出性能采用吉时利2657A测试。实施例1本实施例提供一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机，如图1所示，为开合式叠层设计，在弹性保护层1的一侧从上而下依次设有上电极层2、内有机铁电纳米纤维层3、第一聚合物摩擦层4，在弹性保护层1的另一侧从上而下依次设有第二聚合物摩擦层5、下电极层6；第二聚合物摩擦层5同时为外有机铁电纳米纤维层；在外力作用下弹性保护层1的一侧与另一侧能够闭合，使第一聚合物摩擦层4和第二聚合物摩擦层5发生接触，外力撤去后，在弹性保护层1回弹力的作用下，第一聚合物摩擦层4和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括：在弹性保护层(1)的一侧从上而下依次设有上电极层(2)、内有机铁电纳米纤维层(3)、第一聚合物摩擦层(4)，在弹性保护层(1)的另一侧从上而下依次设有第二聚合物摩擦层(5)、下电极层(6)；所述第二聚合物摩擦层(5)同时为外有机铁电纳米纤维层；在外力作用下弹性保护层(1)的一侧与另一侧能够闭合，使第一聚合物摩擦层(4)和第二聚合物摩擦层(5)发生接触，外力撤去后，在所述弹性保护层(1)回弹力的作用下，第一聚合物摩擦层(4)和第二聚合物摩擦层(5)发生分离，从而向外输出交流电。

【技术特征摘要】
1.一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括：在弹性保护层(1)的一侧从上而下依次设有上电极层(2)、内有机铁电纳米纤维层(3)、第一聚合物摩擦层(4)，在弹性保护层(1)的另一侧从上而下依次设有第二聚合物摩擦层(5)、下电极层(6)；所述第二聚合物摩擦层(5)同时为外有机铁电纳米纤维层；在外力作用下弹性保护层(1)的一侧与另一侧能够闭合，使第一聚合物摩擦层(4)和第二聚合物摩擦层(5)发生接触，外力撤去后，在所述弹性保护层(1)回弹力的作用下，第一聚合物摩擦层(4)和第二聚合物摩擦层(5)发生分离，从而向外输出交流电。2.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述弹性保护层(1)采用弹性布料或弹性胶带。3.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述上电极层(2)和下电极层(6)均采用导电薄膜，所述导电薄膜材料选自铜箔、铝箔、金箔或铟锡金属氧化物。4.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述内有机铁电纳米纤维层(3)材料选自聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、尼龙5、尼龙7或尼龙11。5.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一聚合物摩擦层(4)材料选自尼龙、羊毛、丝绸、再生海绵或纸。6.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二聚合物摩擦层(5)材料选自聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物。7.一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青红，杨伟峰，龚维，侯成义，李耀刚，王宏志，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31