一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器及其制备方法与应用。本发明专利技术所述耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器为芯

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于摩擦发电
，具体涉及一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]摩擦纳米发电机(TENG)是一种基于摩擦起电和静电感应效应的能源转换装置，从不规则振动、触发、滑动、旋转甚至声波中获取机械能，并将其转化为电能，也可收集人体在日常生活中产生的传统方式难以收集的低频机械能，持续稳定地为电子器件供电。
[0003]摩擦纳米发电机不仅可以实现自驱动而不需要额外的能量输入，而且可以作为传感器对人体动作进行监测，在可穿戴设备领域有很大的发展前景。CN 110277936 B公开了一种柔性可修复摩擦纳米发电机机及其应用，本专利技术采用可修复水凝胶作为电极，所制备的摩擦纳米发电机可以用于可穿戴电子器件上，但是材料为不耐高温的有机聚合物，潜在的高温失效限制了TENG在极端高温环境下的服役能力。申请号为CN111174945A的专利申请公开了一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器，其由下支撑板、电极、振动膜、上支撑板及弹簧组合制备摩擦纳米发电机压力传感器，可以实现传感器的自供电并感知外部压力，但是组装材料比较僵硬，无法充分满足实际应用对于灵活性、可变形的需求。
[0004]因此，研究出一种成本低、柔性、耐高温且有较强摩擦电效应的摩擦纳米发电机传感器以满足高温复杂极端环境下可穿戴的需求具有重大意义。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器的制备方法。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供上述方法制得的一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器。
[0007]本专利技术的再一目的在于提供上述一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器在高温环境中的应用。
[0008]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)将丙烯酸乙酯、交联剂、引发剂和溶剂混合均匀，紫外交联反应，干燥，得到单网络弹性体；
[0011](2)将单网络弹性体浸入丙烯酸乙酯、交联剂和引发剂的混合溶液中进行溶胀，取出后再紫外交联反应，干燥，得到双网络弹性体；
[0012](3)将双网络弹性体浸泡在离子液体溶液中，取出后干燥去除溶剂，得到离子凝胶；
[0013](4)将硅胶油墨注入3D打印机中打印并固化，得到带螺纹的硅胶管；
[0014](5)以离子凝胶为电极层，带螺纹的硅胶管作为负摩擦层，无纺芳纶布为正摩擦
层，组装成管状结构，其中无纺芳纶布螺旋缠绕在离子凝胶电极的表面，带螺纹的硅胶管负摩擦层包裹在无纺芳纶布表面，得到摩擦纳米发电机。
[0015]优选地，步骤(1)所述丙烯酸乙酯、交联剂、引发剂和溶剂的摩尔比为1：0.01～0.015：0.01～0.02：2～2.5。
[0016]优选地，步骤(1)、(2)所述交联剂均为乙二醇二甲基丙烯酸酯。
[0017]优选地，步骤(1)、(2)所述引发剂均为1
‑
羟基环己基苯酮。
[0018]优选地，步骤(1)所述溶剂为乙醇、甲苯和环己烷中的至少一种。
[0019]优选地，步骤(1)所述紫外交联反应条件为：紫外光波段320～395nm，紫外光功率10～20mW/cm2，光照时间为3～5分钟。
[0020]优选地，步骤(1)～(3)所述干燥的温度为50～70℃，时间为10～15h。
[0021]优选地，步骤(2)所述丙烯酸乙酯、交联剂和引发剂的摩尔比为1：0.0002～0.0004：0.0002～0.0004。
[0022]优选地，步骤(2)所述溶胀时间为10～15min。
[0023]优选地，步骤(2)所述紫外交联反应条件为：紫外光波段320～395nm，紫外光功率10～20mW/cm2，光照时间为8～10分钟。
[0024]优选地，步骤(3)所述离子液体溶液中的离子液体为1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(CAS号:174899
‑
82
‑
2)、N
‑
己基吡啶双三氟甲磺酰亚胺盐(CAS号：460983
‑
97
‑
5)、N
‑
甲基,丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐(CAS号：223437
‑
11
‑
4)、1
‑
丁基
‑1‑
甲基哌啶双(三氟甲磺酰基)亚胺盐(CAS号:623580
‑
02
‑
9)和三丁基甲基铵双三氟甲磺酰亚胺盐(CAS：405514
‑
94
‑
5)中的至少一种；所述离子液体溶液中溶质与溶剂的体积比为1：5～1：8。
[0025]优选地，步骤(3)所述双网络弹性体在离子液体溶液中浸泡时间为50～70min。
[0026]优选地，步骤(3)所述离子液体溶液的溶剂为乙醇。
[0027]优选地，步骤(4)所述打印条件为：针头直径0.46～1.2mm，打印平台温度为70～90℃，打印的硅胶管的直径为5～6mm，打印速度为30～200mm/min，打印的硅胶管长度为1.5～3.5cm。
[0028]优选地，步骤(4)所述固化为热固化，固化温度为70～90℃，时间为2～3h。
[0029]优选地，步骤(5)所述无纺芳纶布为长条状，厚度为0.8～1.2mm，长条状的宽度为4～5mm。
[0030]上述方法制得的一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器。
[0031]本专利技术所得耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器为柔性可拉伸且耐高温，可作为可穿戴设备用于高温环境，如火灾消防环境。
[0032]上述一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器在穿戴设备中的应用。
[0033]优选地，所述穿戴设备用于火灾消防领域。
[0034]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：
[0035]本专利技术选取硅胶油墨且采用3D打印这一简单、快捷的方法获得图案化立体结构的摩擦电负极，赋予负极结构多样性，且可显著提高摩擦纳米发电机传感器的电输出信号。
[0036]本专利技术制备的一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器具有良好的柔性，可拉伸性，还具备热稳定性，可以在0～200℃的宽温度范围内使用，克服了现有摩擦纳米发电机传感器在高温下应用效果不佳的缺陷。
附图说明
[0037]图1是本专利技术实施例1中制得的离子凝胶在0～200℃范围内的导电性，所制备的离子凝胶的电导率随着温度的上升而升高，在200℃的高温下仍具有较高的导电性。
[0038]图2是本专利技术实施例1中制得的离子凝胶在200℃下放置2h的质量变化，所制备的离子凝胶在整个过程中重量基本不变，具有很好的热稳定性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将丙烯酸乙酯、交联剂、引发剂和溶剂混合均匀，紫外交联反应，干燥，得到单网络弹性体；(2)将单网络弹性体浸入丙烯酸乙酯、交联剂和引发剂的混合溶液中进行溶胀，取出后再紫外交联反应，干燥，得到双网络弹性体；(3)将双网络弹性体浸泡在离子液体溶液中，取出后干燥去除溶剂，得到离子凝胶；(4)将硅胶油墨注入3D打印机中打印并固化，得到带螺纹的硅胶管；(5)以离子凝胶为电极层，带螺纹的硅胶管作为负摩擦层，无纺芳纶布为正摩擦层，组装成管状结构，其中无纺芳纶布螺旋缠绕在离子凝胶电极的表面，带螺纹的硅胶管负摩擦层包裹在无纺芳纶布表面，得到摩擦纳米发电机。2.根据权利要求1所述一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述离子液体溶液中的离子液体为1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、N
‑
己基吡啶双三氟甲磺酰亚胺盐、N
‑
甲基,丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、1
‑
丁基
‑1‑
甲基哌啶双(三氟甲磺酰基)亚胺盐和三丁基甲基铵双三氟甲磺酰亚胺盐中的至少一种；所述双网络弹性体在离子液体溶液中浸泡时间为50～70min。3.根据权利要求1所述一种耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述丙烯酸乙酯、交联剂和引发剂的摩尔比为1：0.01～0.015：0.01～0.02；步骤(2)所述丙烯酸乙酯、交联剂和引发剂的摩尔比为1：0.0002～0.0004：0.0002～0.0004；步骤(1)、(2)所述交联剂均为乙二醇二甲基丙烯酸酯；所述引发剂均为1
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【专利技术属性】
技术研发人员：江赛华，仲晓迪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：