改性氮化硼纳米片复合P(VDF-TrFE)制备超疏水薄膜的方法及应用技术

本发明专利技术涉及能量转化材料及器件技术领域，旨在提供一种改性氮化硼纳米片复合P(VDF

【技术实现步骤摘要】
改性氮化硼纳米片复合P(VDF
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TrFE)制备超疏水薄膜的方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种改性氮化硼纳米片复合P(VDF
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TrFE)的柔性超疏水摩擦纳米发电机的制备方法，属于能量转化材料及器件


技术介绍

[0002]随着社会进入人工智能和物联网的新时代，对环境友好、可持续和分布式能源的需求变得越来越迫切。基于摩擦起电与静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机具有选材广、成本低、质量轻、易于制造、柔性等特点，可以将环境中的机械能转化为电能，在低频能量收集和自驱动传感领域有着广泛的应用前景。
[0003]表面电荷密度是摩擦纳米发电机能源采集效率、传感性能的决定因素。因此大量研究致力于提升摩擦层材料的表面电荷密度，比如通过材料表面引入微结构、电子或离子注入、表面等离子体处理、掺杂纳米颗粒等技术途径。然而，复杂、多变的工作环境也给摩擦纳米发电机带来了新挑战，湿度环境不仅会导致表面电荷耗散，还会影响接触起电效应，这使得摩擦纳米发电机在高湿度的工作环境下输出性能骤降。因此如何实现强抗湿能力和高功率输出两个特点兼得的摩擦纳米发电机仍然是一项亟待解决的问题。
[0004]聚偏氟乙烯
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三氟乙烯P(VDF
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TrFE)因其优异的介电性能、较强的柔韧性、易于成膜、适合大规模生产等特性使其作为基底材料在能量转换方面具有潜在优势。但是其疏水性能以及摩擦转化输出性能都略有不足，限制了其作为供能器件应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种改性氮化硼纳米片复合P(VDF
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TrFE)制备超疏水薄膜的方法及应用。
[0006]为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：
[0007]提供一种改性氮化硼纳米片复合P(VDF
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TrFE)制备超疏水薄膜的方法，包括以下步骤：
[0008](1)按质量比1∶5至1∶10将聚偏氟乙烯三氟乙烯P(VDF
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TrFE)溶解在N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)中，在室温下混合、搅拌4～8h至澄清；
[0009](2)将改性氮化硼填充材料(m
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BN)分散在步骤(1)所得溶液中，得到均匀的悬浊液；
[0010]控制填充材料的添加量使其占聚偏氟乙烯三氟乙烯体积的10～40％，填充材料和聚偏氟乙烯三氟乙烯的密度分别按照2.27g/cm3和1.73g/cm3计算；
[0011](3)将悬浊液以旋涂方式涂覆在平板上，在40～60℃烘箱中干燥8～12h成型，得到薄膜状的m
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BN/P(VDF
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TrFE)复合材料。
[0012]作为本专利技术的优选方案，所述改性氮化硼填充材料的制备方法是：
[0013](2.1)将0.25mL的十三氟辛基三乙氧基硅烷滴加至2.1mL醇酸混合溶液中，搅拌
20min；然后加入0.25mL去离子水，在50℃水浴中处理1小时得到澄清溶液；所述醇酸混合溶液是以2mL乙醇和0.1mL的稀盐酸混合而成，稀盐酸的浓度为1mol/L；
[0014](2.2)将10g氮化硼纳米片分散在200mL乙醇中，然后加入步骤(1)所得澄清溶液，在60℃下搅拌5小时，得到改性氮化硼填充材料。
[0015]作为本专利技术的优选方案，步骤(2)中所述的分散是指：超声处理1～3h后，在室温下搅拌4～8h；然后再重复一次超声和搅拌的操作。
[0016]本专利技术进一步提供了前述方法制备获得的超疏水薄膜的应用方法，是将其作为摩擦电能量转化器件的正极材料。
[0017]本专利技术进一步提供了一种摩擦电能量转化器件，该摩擦电能量转化器件具有平行布置的正极和负极，并以聚酰亚胺薄膜封装形成剖面呈椭圆形的中空结构；在正极和负极的电极端子与负载之间分别以导线连接，形成闭合电路；其中，
[0018]负极具有以亚克力板、双面导电镍胶和负极材料复合而成的三明治结构，在双面导电镍胶的边缘设有电极端子；正极具有以亚克力板、铝膜和正极材料复合而成的三明治结构，在铝膜的边缘设有电极端子；所述负极材料为聚四氟乙烯薄膜，正极材料为所述超疏水薄膜，两者相对布置且保持间距。
[0019]作为本专利技术的优选方案，所述正极的制备方法如下：取带有铝膜的亚克力板，在铝膜的边缘设有电极端子；取前述方法的步骤(2)中制备获得的悬浊液，以旋涂方式涂覆在铝膜的表面；整体移入40～60℃烘箱中，干燥8～12h成型，得到用于摩擦电能量转化器件的正极。
[0020]作为本专利技术的优选方案，所述正极和负极的面积均为20mm
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20mm，正极材料与负极材料的间距不超过4mm。
[0021]本专利技术进一步提供了摩擦电能量转化器件的制备方法，包括以下步骤：
[0022](1)以亚克力板作为支撑材料，聚四氟乙烯薄膜为负极材料，双面导电镍胶作为中间层用于黏合支撑材料和负极材料；在双面导电镍胶的边缘设置电极端子，得到三明治结构的负极；
[0023](2)以亚克力板作为支撑材料，以铝膜作为中间层，并在铝膜的边缘设置电极端子；取权利要求1步骤(2)中制备获得的悬浊液，以旋涂方式涂覆在铝膜的表面；然后整体移入40～60℃烘箱中，干燥8～12h成型，得到三明治结构的正极；
[0024](3)将正极和负极平行布置并保持间距，使正极材料和负极材料相对布置；用聚酰亚胺薄膜将正极和负极封装起来，形成剖面呈椭圆形的中空结构；
[0025](4)以两根导线分别连接正负极的电极端子与负载，形成闭合电路。
[0026]作为本专利技术的优选方案，在步骤(2)中控制涂覆用量，使得干燥成型后超疏水薄膜的厚度范围在10～80μm。
[0027]专利技术原理描述：
[0028]本专利技术采用十三氟辛基三乙氧基硅烷改性氮化硼纳米片，将改性氮化硼纳米片作为填料加入P(VDF
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TrFE)中，制备出复合薄膜。将改性的氮化硼纳米片引入至P(VDF
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TrFE)基底后，一方面有效改善复合薄膜的表面形貌，构建出微粗糙结构，既提高了复合薄膜的疏水性能又增大了摩擦材料的接触面积；另一方面，改性氮化硼的引入提升了摩擦正极材料的表面电势，进一步提升和负极材料之间的接触电势差；两方面协同作用在增大表面电荷
密度的同时提高抗湿能力，从而得到高性能高抗湿摩擦纳米发电机。
[0029]在针对聚偏氟乙烯
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三氟乙烯P(VDF
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TrFE)作为基底材料的研究中，研究人员普遍将工作重点放在低湿度环境下如何提升其摩擦转化输出性能，例如Ravinder Dahiya等人(G.Min et al.,Nano Energy,2021,90,106600)通过复合BaTiO3颗粒来改善摩擦转化输出性能，而没有考虑到如何在高湿度环境下保持良好的输出性能提升其摩擦转化的稳定性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性氮化硼纳米片复合P(VDF
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TrFE)制备超疏水薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按质量比1∶5至1∶10将聚偏氟乙烯三氟乙烯P(VDF
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TrFE)溶解在N,N
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二甲基甲酰胺中，在室温下混合、搅拌4～8h至澄清；(2)将改性氮化硼填充材料(m
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BN)分散在步骤(1)所得溶液中，得到均匀的悬浊液；控制填充材料的添加量使其占聚偏氟乙烯三氟乙烯体积的10～40％，填充材料和聚偏氟乙烯三氟乙烯的密度分别按照2.27g/cm3和1.73g/cm3计算；(3)将悬浊液以旋涂方式涂覆在平板上，在40～60℃烘箱中干燥8～12h成型，得到薄膜状的m
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BN/P(VDF
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TrFE)复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改性氮化硼填充材料的制备方法是：(2.1)将0.25mL的十三氟辛基三乙氧基硅烷滴加至2.1mL醇酸混合溶液中，搅拌20min；然后加入0.25mL去离子水，在50℃水浴中处理1小时得到澄清溶液；所述醇酸混合溶液是以2mL乙醇和0.1mL的稀盐酸混合而成，稀盐酸的浓度为1mol/L；(2.2)将10g氮化硼纳米片分散在200mL乙醇中，然后加入步骤(1)所得澄清溶液，在60℃下搅拌5小时，得到改性氮化硼填充材料。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的分散是指：超声处理1～3h后，在室温下搅拌4～8h；然后再重复一次超声和搅拌的操作。4.权利要求1所述方法制备获得的超疏水薄膜的应用方法，其特征在于，是将其作为摩擦电能量转化器件的正极材料。5.一种摩擦电能量转化器件，其特征在于，该摩擦电能量转化器件具有平行布置的正极和负极，并以聚酰亚胺薄膜封装形成剖面...

【专利技术属性】
技术研发人员：张启龙，张钊，申乾宏，杨辉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：