用于能量收集的可穿戴摩擦发电器制造技术

本公开涉及一种可穿戴水摩擦发电器，其中水摩擦发电器包括具有第一表面和第二表面的第一基板，其中第一表面和第二表面彼此相对；且第一表面包括改性疏水表面，其包括疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒层。本公开还提供了一种可穿戴双模式水和接触摩擦发电器，包括水摩擦发电器和接触摩擦发电器，其中水摩擦发电器和接触摩擦发电器布置成水摩擦发电器的第一基板完全包围或包封接触摩擦发电器。

Wearable friction generator for energy collection

The invention relates to a wearable water friction generator, wherein the water friction generator comprises a first substrate having a first surface and a second surface, wherein the first surface and the second surface are opposite to each other, and the first surface comprises a modified hydrophobic surface, which comprises a hydrophobic cellulose oleoyl ester nano particle layer. The invention also provides a wearable dual-mode water and contact friction generator, including a water friction generator and a contact friction generator, wherein the water friction generator and the contact friction generator are arranged as a first substrate of the water friction generator completely surrounding or enveloping the contact friction generator.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于能量收集的可穿戴摩擦发电器交叉引用本申请要求2017年3月28日提交的新加坡专利申请No.10201702507W的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
本公开一般涉及用于能量收集的摩擦发电器，具体地涉及水摩擦发电器，以及双模式水和接触摩擦发电器。更具体地，本公开涉及用于能量收集的可穿戴水摩擦发电器和可穿戴双模式摩擦发电器。
技术介绍
摩擦起电效应是日常生活中最普遍的现象之一，它可以解释由机械接触产生的大多数日常静电。摩擦发电器(TEG)是一种基于摩擦起电效应和静电感应将机械能转换为电能的能量技术。具体而言，具有不同摩擦电极性的两种材料之间周期性地物理接触和分离会产生电位差，驱动电子流过外部负载并产生连续输出。到目前为止，大多数现有的TEG设计为在干燥条件下在两种固体材料之间工作以保持其高输出。然而，目前也已经证实，可以从从天空落下的雨滴或流过绝缘管(诸如硅树脂管)的水产生摩擦电，使水带正电或带负电。另外，流动的水不仅携带机械能，而且可以由于与空气或其他材料的接触起电过程而产生摩擦电。因此，主要的研究集中在于开发水TEG以收集由运动中的水产生的摩擦电能。目前，大多数水TEG的设计基于合成聚合物膜，例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VDF-HFP))、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Kapton(聚酰亚胺)、丙烯酸等。实际上，合成聚合物薄膜具有低介电常数、高热稳定性、良好的机械强度和可塑性，这些性能对于满足高性能电子产品的应用要求非常重要。然而，这种合成聚合物薄膜并不特别适合于可穿戴的目的。因此，仍然需要提供用于能量收集的可穿戴水摩擦发电器。专利技术概要本公开的第一方面公开了一种可穿戴水摩擦发电器，包括：基底，所述基底具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面彼此相对；和电极，所述电极位于所述第二表面上，其中所述第一表面包括改性疏水表面，所述改性疏水表面包括疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒层。本公开的第二方面公开了一种用于形成第一方面的可穿戴水摩擦发电器的方法，该方法包括：提供基底，所述基底包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面彼此相对；将包含疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒的悬浮液涂覆到所述基底的第一表面上，得到经处理的基底；干燥所述经处理的基底；和在所述经处理的基底的第二表面上涂覆电极。本公开的第三方面公开了一种可穿戴双模式水和接触摩擦发电器，包括：水摩擦发电器，所述水摩擦发电器包括具有第一表面和第二表面的第一基底，其中所述第一表面和所述第二表面彼此相对；所述第一表面包括改性疏水表面，所述改性疏水表面包括疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒层；和接触摩擦发电器，所述接触摩擦发电器包括具有第三表面和第四表面的第二基底，其中所述第三表面和所述第四表面彼此相对，所述接触摩擦发电器还包括具有第五表面和第六表面的第三基底，其中所述第五表面和所述第六表面彼此相对，所述接触摩擦发电器还包括位于所述第二基底和所述第三基底之间的间隔件，使得所述间隔件接近或接触所述第二基底的第四表面和所述第三基底的第五表面，所述接触摩擦发电器还包括涂覆在所述第二基底的第三表面上的第一电极，并且还包括涂覆在所述第三基底的第六表面上的第二电极，使得所述第一电极和所述第二电极相对，其中所述水摩擦发电器和所述接触摩擦发电器布置成所述水摩擦发电器的所述第一基底完全包围或包封所述接触摩擦发电器，并且所述第一基底的第二表面接触所述接触摩擦发电器的第一电极和第二电极。本公开的第四方面公开了一种用于形成第三方面的可穿戴双模式水和接触摩擦发电器的方法，该方法包括：提供第一基底，所述第一基底包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面彼此相对；将包含疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒的悬浮液涂覆到所述第一基底的第一表面上，得到经处理的第一基底；干燥所述经处理的第一基底；提供具有第三表面和第四表面的第二基底，其中所述第三表面和所述第四表面彼此相对，第一电极涂覆在所述第二基底的第三表面上；提供具有第五表面和第六表面的第三基底，其中所述第五表面和所述第六表面彼此相对，第二电极涂覆在所述第三基底的第六表面上，使得所述第一电极和所述第二电极相对；在所述第二基底和所述第三基底之间设置间隔件，使得所述间隔件接近或接触所述第二基底的第四表面和所述第三基底的第五表面；和布置所述经处理的第一基底，使得所述经处理的第一基底完全包围或包封所述第二基底和所述第三基底，其中所述经处理的第一基底的第二表面分别接触所述第二基底的第一电极和所述第三基底的第二电极。附图说明在附图中，相同的附图标记在不同附图中通常指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明各种实施例的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本专利技术的各种实施例。图1显示疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒(HCOENP)和疏水性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)织物的制备方法的示意图。图2显示：(a)疏水性纤维素油酰酯(HCOE)的示意性合成方法；(b)(i)微晶纤维素(MCC)、(ii)油酰氯和(iii)HCOENP的傅里叶变换红外(FTIR)光谱；(c)MCC的扫描电子显微镜(SEM)图像；(d)HCOENP的SEM图像；(e)HCOENP的尺寸分布。图3显示了根据实施例1的涂覆HCOENP的超细PET织物的性能证明：(a-b)涂覆在单根纤维上的HCOENP的形态；(c)涂覆HCOENP的超细PET织物的纱线结构；(d)在用HCOENP涂覆之前和之后PET织物的疏水性的照片，插图分别是接触角；(e)在涂覆HCOENP之前和之后对PET织物的粉尘进行自清洁；(f)在涂覆HCOENP之前和之后，PET织物对大肠杆菌(E.coli)的抗污性能；(g)涂覆HCOENP的PET织物的接触角对在(i)中性、(ii)酸性和(iii)碱性苛刻环境中的洗涤时间的依赖性；(h)经历过(i)中性、(ii)酸性和(iii)碱性苛刻环境后涂覆HCOENP的PET织物的防水性能的照片。图4显示：(a)涂覆HCOENP之前和之后PET织物的接触角的变化；(b)PET织物的接触角对HCOENP的不同涂覆次数的依赖性；(c-e)在不同基底上涂覆HCOENP的防水效果和稳定性，基底包括(c)纤维素纳米纤维(CNF)薄膜、(d)A4纸和(e)载玻片；(f)A4纸的接触角对HCOENP的不同涂覆次数的依赖性。图5示出：(a)当与管道或空气的接触起电过程主导所产生的摩擦电时水TEG的工作机制；(b)基于全织物的双模式TEG结构的示意图。图6显示：(a-b)涂覆不同尺寸的HCOENP的织物的形态比较；(c)不同尺寸的HCOENP的尺寸分布；(d)涂覆不同尺寸的HCOENP的PET织物的输出电压；(e)涂覆不同尺寸的HCOENP的PET本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可穿戴水摩擦发电器，包括：/n基底，所述基底具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面彼此相对；和/n电极，所述电极位于所述第二表面上，/n其中所述第一表面包括改性疏水表面，所述改性疏水表面包括疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170328 SG 10201702507W1.一种可穿戴水摩擦发电器，包括：
基底，所述基底具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面彼此相对；和
电极，所述电极位于所述第二表面上，
其中所述第一表面包括改性疏水表面，所述改性疏水表面包括疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒层。


2.如权利要求1所述的可穿戴水摩擦发电器，其中所述疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒包括用油酰酯官能团接枝的纤维素分子的纳米颗粒。


3.如权利要求2所述的可穿戴水摩擦发电器，其中所述纤维素分子包括微晶纤维素、纤维素纳米晶体或纤维素纳米纤维。


4.如权利要求1至3中任一项所述的可穿戴水摩擦发电器，其中所述基底包括织物、纤维素纳米纤维膜、纸或玻璃。


5.如权利要求4所述的可穿戴水摩擦发电器，其中所述织物包括天然纺织物、合成纺织物，或其组合或混合物。


6.如权利要求5所述的可穿戴水摩擦发电器，其中所述织物包括棉织物、丝织物、亚麻织物、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)织物、聚氨酯(PU)织物、尼龙、和PET/PU织物、PET/尼龙织物、或微/纳米纤维膜，所述微/纳米纤维膜选自聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺(PI)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)、聚(偏二氟乙烯-co-三氟乙烯)(PVDF-TrFE)、聚(偏二氟乙烯-co-三氟氯乙烯)(PVDF-CTFE)和聚(偏二氟乙烯-co-三氟氯乙烯-co-氟氯乙烯)(PVDF-TrFE-CFE)、或其组合。


7.如权利要求6所述的可穿戴水摩擦发电器，其中所述织物包括PET织物。


8.一种用于形成如权利要求1至7中任一项所述的可穿戴水摩擦发电器的方法，所述方法包括：
提供基底，所述基底包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面彼此相对；
将包含疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒的悬浮液涂覆到所述基底的第一表面上，得到经处理的基底；
干燥所述经处理的基底；和
在所述经处理的基底的第二表面上涂覆电极。


9.如权利要求8所述的方法，其中所述基底包括织物、纤维素纳米纤维膜、纸或玻璃。


10.如权利要求9所述的方法，其中所述基底包括织物，并且所述方法还包括在所述涂覆步骤之前使所述基底与碱性水溶液接触以得到经预处理的基底。


11.如权利要求10所述的方法，其中所述碱性水溶液包括氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)或其混合物。


12.如权利要求10或11所述的方法，其中所述碱性水溶液的浓度为0.01至2mol/L。


13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其中使所述基底在20至100℃下与所述碱性水溶液接触。


14.如权利要求10至13中任一项所述的方法，其中使所述基底与所述碱性水溶液接触10至120分钟。


15.如权利要求10至14中任一项所述的方法，其中所述悬浮液包含0.001至20wt％的疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒。


16.一种可穿戴双模式水和接触摩擦发电器，包括：
水摩擦发电器，所述水摩擦发电器包括具有第一表面和第二表面的第一基底，其中所述第一表面和所述第二表面彼此相对；所述第一表面包括改性疏水表面，所述改性疏水表面包括疏水性纤维素油酰酯纳米颗粒层；和
接触摩擦发电器，所述接触摩擦发电器包括具有第三表面和第四表面的第二基底，其中所述第三表面和所述第四表面彼此相对，
所述接触摩擦发电器还包括具有第五表面和第六表面的第三基底，其中所述第五表面和所述第六表面彼此相对，
所述接触摩擦发电器还包括位于所述第二基底和所述第三基底之间的间隔件，使得所述间隔件接近或接触所述第二基底的第四表面和所述第三基底的第五表面，
所述接触摩擦发电器还包括涂覆在所述第二基底的第三表面上的第一电极，并且还包括涂覆在所述第三基底的第六表面上的第二电极，使得所述第一电极和所述第二电极相对，
其中所述水摩擦发电器和所述接触摩擦发电器布置成所述水摩擦发电器的所述第一基底完全包围或包封所述接触摩擦发电器，并且
所述第一基底的第二表面接触所述接触摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊佳庆，李佩诗，林孟芳，
申请(专利权)人：南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG