用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机及制备方法。对基底和导电聚合物进行功能化改性，通过简单的旋涂、刷涂等方式，即可实现二者之间的强附着，并且足够薄的厚度能够满足透明度的要求，这样成功制备了薄膜下电极。此外，还在超疏水改性薄膜的超疏水表面通过黏贴一根极细的铜胶带，构建了薄膜上电极，构建具有高效输出的基于超疏水改性温室薄膜的，双电极工作模式的摩擦纳米发电机；在整体满足透明度要求的前提下，制备了具有高的输出性能的摩擦纳米发电机，实现对环境中雨滴能的收集。本发明专利技术使用超疏水改性的薄膜构建的摩擦纳米发电机相较于使用原始薄膜而言，输出性能大幅提高，并且摩擦纳米发电机的构建过程简单易实现。构建过程简单易实现。构建过程简单易实现。

【技术实现步骤摘要】
用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机及制备方法


[0001]本专利技术涉及了一种基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机及其制备方法，尤其是涉及了利用温室大棚薄膜作为摩擦电层材料，采用新型双电极结构构建摩擦纳米发电机及其制备方法，用于环境中的雨滴能收集。

技术介绍

[0002]温室种植是农业生产的典型形式之一，是由能透过短波长的太阳辐射的透明介质组成。覆盖材料、骨架、栽培设施和控制温室内部微气候所需的技术设备是构成温室的必备要素。其中，覆盖在温室骨架外的材料是温室最重要的组成部分，通常包括塑料薄膜，玻璃和阳光板。它们在保护植物免受外部环境的影响上发挥重要作用，尤其在不合适植物生长的季节，进而大大提高了产量。现代温室的高效运行需要满足采暖、通风、灌溉、自动化控制等方面的供能需求。使用传统供能方式易造成温室气体排放，加速全球变暖和环境退化的步伐，因此，在温室的覆盖材料上集成光电器件已经广泛施行，其中光伏设备应用范围最广，但是通常受气的限制。降雨是农业生产过程中非常普遍的自然现象，而光伏设备通常无法在这种天气下工作，因此，需要一种新型的供能装置，实现在雨天时的能量收集，并转化为电能以供使用。
[0003]摩擦纳米发电机(TENG)是基于摩擦起电和静电感应的耦合作用，能够实现环境中微小机械能的收集，这些机械能通常能量能量密度低、频率低且难以感知，经常被人们忽略。因此，摩擦纳米发电机的出现，为利用农业环境中的降雨现象而实现发电的过程提供了新思路，这种与雨水有关的能量可以弥补雨天光伏设备的无法发挥作用的遗憾。对于温室来说，雨滴直接落在其覆盖材料上，在雨滴与其接触/分离的过程中会产生一次电能输出。
[0004]但是对于现有的收集雨滴能的摩擦纳米发电机而言，大多采用单电极的工作模式，该模式下对雨滴能的收集效率仅为其他几种模式的一半，这是由于液
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固接触时的界面屏蔽效应引起的，非常不利于摩擦电荷的转移，进而造成输出性能的下降。除此之外，对于雨滴能的收集需要精确调控液
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固接触界面的性质，即与液体接触的固体表面特性需要精确调控，若固体表面不利于雨滴的快速滑落，则会造成低的输出，若固体表面具备超疏水特性，雨滴能够快速滑落，此时才会有高的输出。综上所述，现有报道的一些收集雨滴能的摩擦纳米发电机的输出效率均不是很高。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机及制备方法。
[0006]本专利技术的目的在于填补现有关于温室的光伏设备在阴雨天无法实现高效工作的空白，利用超疏水的温室薄膜作为摩擦电层材料，导电聚合物涂层作为薄膜下电极，铜胶带作为薄膜上电极，以此构建摩擦纳米发电机，用于环境中的雨滴能收集。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一、一种用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机：
[0009]主要由超疏水改性膜、下电极和上电极构成，下电极布置在改性膜的下表面，上电极布置在改性膜的上表面(即超疏水表面)，改性膜的上表面为超疏水表面，下表面为亲水表面。
[0010]所述的下电极和上电极通过电线引出连接到外部。
[0011]所述的摩擦纳米发电机构建于温室薄膜上，降雨时，当雨滴落一经接触超疏水改性膜上表面的上电极时，通过接触起电和静电感应过程能够产生持续的电输出。
[0012]本专利技术薄膜的超疏水改性是通过感应耦合等离子体处理，使薄膜上表面具备超疏水性能，具体处理分为两步法。
[0013]二、一种用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机的制备方法，方法如下：
[0014]1)制备上表面具有超疏水特性的改性膜(超疏水薄膜)；
[0015]2)下电极制备：
[0016]3)上电极制备：
[0017]4)摩擦纳米发电机制备。
[0018]具体实施对输出电压测量：连接上下电极引出的铜胶带到示波器的正负极处，用于测量输出电压。
[0019]所述步骤1)具体为：
[0020]1.1)将PE膜置于感应耦合等离子体刻蚀仪中；
[0021]1.2)设置的ICP功率为100W，RF功率为50W；气体选择O2和CHF3， O2和CHF3的流量分别设置为15：45sccm，气压为30毫托；通过感应耦合等离子体刻蚀仪对PE膜的上表面进行刻蚀处理10min，使得在PE膜上表面形成纳米纹理化结构，获得已经纳米结构化的PE薄膜；
[0022]1.3)设置的ICP功率为100W，RF功率为50W，气体选择四氟化碳C4F8，四氟化碳C4F8的流量设置为50sccm；气压为30mTorr；通过感应耦合等离子体刻蚀仪对PE膜的上表面进行沉积处理30s，使得在PE膜上的纳米纹理化结构上表面沉积一层氟碳层，完成改性并取出。
[0023]所述步骤2)具体为：
[0024]将15％v/v的二甲基亚砜(DMSO)溶液加入到聚(3,4
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乙烯二氧噻吩)
‑
聚 (苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)溶液中，在常温下剧烈搅拌6h，获得导电聚合物溶液；
[0025]对改性膜的下表面进行清洗后，再特别地进行O2等离子体处理5min；
[0026]将约20μL的导电聚合物溶液通过一个水平截面为3*3cm的正方形模具旋涂在O2等离子体处理后的改性膜的下表面；
[0027]常温下干燥即在改性膜的下表面制备形成下电极。
[0028]所述步骤3)具体为：将一根细的导电铜胶带(宽度约为1mm)贴在改性膜的上表面(即超疏水表面)，且位置在下电极的中线处，在改性膜的上表面制备形成上电极。
[0029]此外，本专利技术还在超疏水改性薄膜的超疏水表面通过黏贴一根极细的铜胶带，构建了薄膜上电极，构建具有高效输出的基于超疏水改性温室薄膜的，双电极工作模式的摩擦纳米发电机；在整体满足透明度要求的前提下，制备了具有高的输出性能的摩擦纳米发电机，实现对环境中雨滴能的收集。
[0030]所述步骤4)具体为：分别用两根铜胶带连接上下电极将输出电信号的引出。
[0031]本专利技术首先通过感应耦合等离子体处理赋予了薄膜超疏水性能，并且其透光性没
有显著下降。其次电极是摩擦纳米发电机的重要组成部分，考虑到本专利技术的实际使用场景，所需要的电极不似传统的铜电极，坚硬且不透明，构建本摩擦纳米发电机所需电极需要满足透明、柔性的需求并且兼具较好的导电性。导电聚合物，例如聚(3,4
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亚乙二氧基噻吩)
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聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、聚苯胺(PAni)和聚吡咯(PPy)，由于其优异的电性能、电化学性能和生物相容性已被广泛用作电极，但是他们的粘附性较差，不能保证导电聚合物与基材之间的强附着，这不适合用于基于塑料薄膜构造的摩擦纳米发电机。最近，具有可控厚度和强粘附性的功能性涂料已应用于具有任意形状的各种基材中，从而在工程和医学领域实现了新的应用。通过不同的操作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机，其特征在于：主要由超疏水改性膜、下电极和上电极构成，下电极布置在改性膜的下表面，上电极布置在改性膜的上表面。2.根据权利要求1所述的一种用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的下电极和上电极通过电线引出连接到外部。3.根据权利要求1所述的一种用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的摩擦纳米发电机构建于温室薄膜上，降雨时，当雨滴落一经接触超疏水改性膜上表面的上电极时，通过接触起电和静电感应过程能够产生持续的电输出。4.应用于权利要求1
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3任一所述的一种用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：方法如下：1)制备上表面具有超疏水特性的改性膜；2)下电极制备：3)上电极制备：4)摩擦纳米发电机制备。5.根据权利要求4所述的一种用于雨滴能收集的温室薄膜基摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述步骤1)具体为：1.1)将PE膜置于感应耦合等离子体刻蚀仪中；1.2)设置的ICP功率为100W，RF功率为50W；气体选择O2和CHF3，O2和CHF3的流量分别设置为15：45sccm，气压为30毫托；通过感应耦合等离子体刻蚀仪对PE膜的上表面进行刻蚀处理10min，使得在PE膜上表面形成纳米纹理化结构；...

【专利技术属性】
技术研发人员：平建峰，张琪，应义斌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：