[发明专利]一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用，涉及摩擦纳米发电机技术领域。本发明提供的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机包括摩擦电极和对摩电极，摩擦电极包括依次层叠设置的第一背电极和摩擦层，所述摩擦层的材质为多羟基高聚物；对摩电极包括依次层叠设置的第二背电极和对摩层，对摩层的外表面具有突起的立体图案；对摩层与摩擦层相对设置。本发明以富含羟基的多羟基高聚物为摩擦层，摩擦层的羟基易与水分子形成氢键，使环境中的水分子被固定在材料表面，水分子作为整体参与摩擦起电，增加了摩擦层的总电输出，从而起到了在高湿度环境下的湿度阻抗效果，使其可用于高湿度环境。

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，尤其涉及一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。

背景技术

摩擦纳米发电机(简写为TENG)是近年来提出的一种环境耗散能量收集的新技术，在诸多领域有着潜在的应用前景，其中，柔性摩擦纳米发电机的研究在近期颇受关注。所谓柔性摩擦纳米发电机是指采用柔性材料作为TENG的摩擦层，相比于传统TENG具有更大的接触面积，因而保证了TENG的电输出。同时，由于柔性材料良好的延展性和可变形性，这种TENG可以制作成可穿戴设备，例如贴在人体的关节处用于收集人在运动时的摩擦能，或者设置在衣服、鞋子等上，穿戴在身上或脚上，通过点亮串联的小灯泡作为夜间跑步爱好者的警示装置、压力传感装置等。

柔性摩擦纳米发电机的材料选择至少需要考虑三点要求：第一，材料具有较好的韧性，能够适应不同角度的拉伸、弯曲等形变的要求；第二，摩擦层材料和对摩层材料要保证具有足够的摩擦电输出，以保证传感器件的正常运行；第三，材料必须无毒无害，适用于人体的穿戴。如上所述，目前公开的关于柔性TENG的研究基本都是基于以上三点对材料进行选择，或者对现有材料进行改性处理。然而，在柔性摩擦纳米发电机的实际应用过程中，湿度对传统摩擦层高聚物的摩擦电影响极大，如铝电极和PVDF组成的摩擦纳米发电机，在湿度从15％增加到90％后，电输出降低65.4％(L.Gu,N.Y.Cui,J.M.Liu,Y.B.Zheng,S.Bai,Y.Qin,Nanoscale(7)201518049.)，直接影响了摩擦纳米发电机的应用。湿度对摩擦电的影响主要是因为水分子在高聚物的表面聚合，增加了电荷的耗散速度，从而导致输出电的降低。

目前，研究人员对柔性TENG的研究主要集中在增加器件的电输出和应用性方面，而忽略了适用于高湿度环境的柔性摩擦纳米发电机的研究。例如，电子科技大学的李响、黄文等研究者设计了一种柔性可拉伸的摩擦纳米发电机，用于收集人体摩擦耗散的摩擦能(专利公开号106208802A)，并通过在电极中复配纳米颗粒来增加其电输出。但是该设备只能用于湿度较低的环境下，或者人体在没有大量出汗的条件下，否则会因为湿度的骤增而导致电输出的降低，影响器件的使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用，本发明所提供的耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机可在高湿度环境中应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种耐高湿柔性可穿戴摩擦纳米发电机，包括摩擦电极和对摩电极，所述摩擦电极包括依次层叠设置的第一背电极和摩擦层，所述摩擦层的材质为多羟基高聚物；所述对摩电极包括依次层叠设置的第二背电极和对摩层，所述对摩层的外表面具有突起的立体图案；所述对摩层与摩擦层相对设置。

优选的，所述多羟基高聚物为聚乙烯醇、聚乳酸、水溶性羟基丙烯酸树脂、端羟基聚氨酯、环氧树脂和聚对苯二甲酸丁二醇酯中的至少一种。

优选的，所述摩擦层的厚度为0.1～2mm。

优选的，所述立体图案为四棱锥图案、圆锥图案、方形图案、圆形图案和条纹图案中的至少一种。

优选的，所述对摩层的材质为聚二甲基硅氧烷。

优选的，所述对摩层的厚度为0.1～2mm。