[發(fā)明專利]一種基于CTAB改性聚苯乙烯復(fù)合P(VDF-TrFE)的摩擦電能量轉(zhuǎn)化器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110299256.7
• 申請(qǐng)日: 2021-03-21
• 公開（公告）號(hào): CN113136042B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張啟龍;姚麗琴;張釗;楊輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): C08J5/18
• 分類號(hào): C08J5/18;C08L27/16;C08L25/06;C08K5/19;H02N1/04
• 代理公司: 杭州中成專利事務(wù)所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)化材料及器件技術(shù)，旨在提供一種基于CTAB改性聚苯乙烯復(fù)合P(VDF?TrFE)的摩擦電能量轉(zhuǎn)化器件。包括平行布置且保持間距的正極材料與負(fù)極材料，在正極材料與負(fù)極材料的外側(cè)面分別粘有用作電極的雙面導(dǎo)電鎳膠；以兩根銅線分別連接兩個(gè)電極，銅線的末端用于連接負(fù)載以形成閉合電路；由聚酰亞胺薄膜層完全包裹兩個(gè)電極和正負(fù)極材料，形成剖面為橢圓形中空結(jié)構(gòu)；正極材料為以CTAB改性后的PS納米顆粒為填料經(jīng)滴涂制膜獲得的摩擦正極復(fù)合薄膜；負(fù)極材料為商用PTFE膜。本發(fā)明綜合考慮表面微粗糙結(jié)構(gòu)、介電性能調(diào)控和改善表面電勢(shì)，協(xié)調(diào)優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換器件的輸出性能，可實(shí)現(xiàn)器件輸出性能的調(diào)控；制備工藝簡單，方法的可操作性和可重復(fù)性高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能量轉(zhuǎn)化材料及器件技術(shù)，特別涉及一種改性有機(jī)納米顆粒復(fù)合P(VDF-TrFE)的柔性摩擦電能量轉(zhuǎn)化器件及制備方法。

背景技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)、可穿戴設(shè)備等新技術(shù)迅速崛起，傳感器等核心電子器件正朝著小型化、智能化、多功能化、集成化等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的電池技術(shù)因循環(huán)壽命有限、體積大、存在環(huán)境污染和健康危害等問題，已難以滿足其能源需求。因此，從環(huán)境中獲取可持續(xù)能量技術(shù)引起了廣泛得關(guān)注。利用摩擦起電效應(yīng)來收集周圍環(huán)境中的微小機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件及設(shè)備的持續(xù)供能，近年來被證實(shí)為一種具有發(fā)展前景的能源供給方式。

摩擦納米發(fā)電機(jī)是基于接觸起電和靜電感應(yīng)耦合的起電器件。決定摩擦納米發(fā)電機(jī)的起電性能的主要是摩擦材料的表面電荷密度。將典型的接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)等效為一個(gè)平板電容器模型，為提升發(fā)電機(jī)的電學(xué)輸出，即要提升材料的電容值。因此增大摩擦材料的比表面積提升絕緣材料的介電常數(shù)等是提升性能的主要途徑。此外，為進(jìn)一步擴(kuò)大正負(fù)極摩擦材料的接觸電勢(shì)差，從而提升接觸-分離過程中的轉(zhuǎn)移電荷量，也可以從改善材料的表面電勢(shì)考慮。

聚偏氟乙烯三氟乙烯(PVDF-TrFE)基復(fù)合膜以其柔性好，電學(xué)響應(yīng)高等特性被認(rèn)為在能量轉(zhuǎn)換方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。但是，對(duì)聚合物基體摻雜無機(jī)高介電填料從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的介電性能優(yōu)化，存在有機(jī)-無機(jī)界面相容性差，造成能量轉(zhuǎn)換器件的柔性大幅降低，限制其在可穿戴設(shè)備的應(yīng)用。此外，通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提升摩擦材料接觸面積的解決方案，也存在制備工藝復(fù)雜，成本高等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于CTAB改性聚苯乙烯復(fù)合P(VDF-TrFE)的摩擦電能量轉(zhuǎn)化器件。

為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是：

提供一種用于摩擦電能量轉(zhuǎn)化器件的摩擦正極復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備CTAB改性PS納米顆粒

取3克PS納米顆粒，充分研磨；然后與0.75克十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)共混于300毫升水醇混合溶液中；超聲處理0.5小時(shí)后，在室溫下攪拌24小時(shí)，得到改性PS納米顆粒；

(2)將0.5克聚偏氟乙烯三氟乙烯P(VDF-TrFE)溶解在5毫升N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，得到P(VDF-TrFE)溶液；向P(VDF-TrFE)溶液中加入改性PS納米顆粒，超聲分散后室溫下攪拌8小時(shí)，得到均勻混合液；

(3)以步驟(2)得到的混合液滴涂制膜，并置于真空烘箱中烘干成型，控制膜厚度在60-70μm，得到摩擦正極復(fù)合薄膜；控制步驟(2)中改性PS納米顆粒的加入量，使其在最終復(fù)合薄膜產(chǎn)品中的質(zhì)量占比為5～20％。

本發(fā)明中，所述水醇混合溶液中，去離子水與乙醇的體積比為1∶9。

本發(fā)明中，改性PS納米顆粒在復(fù)合薄膜中的質(zhì)量占比為10％。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了利用前述方法制備獲得的摩擦正極復(fù)合薄膜進(jìn)一步制備摩擦電能量轉(zhuǎn)化器件的方法，包括以下步驟：