[发明专利]导电离子凝胶膜及其制备方法、以及清洁能源收集装置

说明书

本发明提供一种导电离子凝胶膜及其制备方法、以及清洁能源收集装置，根据本发明实施例的导电离子凝胶膜，包括：膜基体，所述膜基体包括聚丙烯酸水凝胶以及分散在所述聚丙烯酸水凝胶中的导电纳米填料；形成于所述膜基体至少一侧表面的聚苯胺涂层。根据本发明实施例的导电离子凝胶膜，采用聚丙烯酸水凝胶作为基体，在该基体中分散有导电纳米填料，PAA水凝胶本身具有出色的机械性能，同时通过添加导电纳米填料能够进一步提高PAA水凝胶的机械应力，而且使得膜基体具有导电性能，在此基础上通过在膜基体表面形成聚苯胺涂层，聚苯胺涂层在与PAA水凝胶结合后具有出色的电化学性能例如可以提高电容和总体电性能，使其成为植物可穿戴传感器的有用的材料。

技术领域

本发明涉及智能农业技术领域，具体涉及一种导电离子凝胶膜及其制备方法、以及在清洁能源收集装置、传感器、以及电子皮肤上的应用。

背景技术

随着全球气候变化和粮食不安全，给人类带来很大威胁。人口的增长和全球粮食需求的增加要求更高的农业生产率和效率，然而施用大量的合成肥料一方面可能会使农作物的生产力达到极限，同时也会带来环境问题。例如，一氧化二氮是农业活动排放的主要气体之一，约占变暖效应的一半。因此有必要减少农业温室气体排放，以减少其对气候变化的影响。

为此，希望开发以生态友好的方式提高农产品数量和质量的智能农业。传感技术和光肥是智能农业所依赖的两种技术。在智能农业中，已知有使用发光二极管(LED)代替传统的土壤肥料。发光二极管(LED)灯的峰值发射波长范围从UV-C到红外通过将LED灯调节到与特定植物的感光体匹配的波长，植物可以达到更高的生产率。例如，红色和蓝色的LED灯极大地促进了多叶蔬菜，西红柿，黄瓜和辣椒的生长。尽管在绿色农业中具有出色的性能，但LED升压系统的大能耗限制了其实际应用。因此，需要自供电的光肥料系统来满足大的能量消耗。

另一方面，我们的环境中充满了清洁能源，例如气流，声音和雨水。可以通过摩擦电纳米发电机(TENG)收获这些清洁能源并转化为电能。通过使用摩擦电材料可以将机械能转化为电能，并以此驱动光肥，传感器或执行器。最近开发出了使用不同摩擦电聚合物例如包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的摩擦电能量发生器以收集清洁能源。但是，为了提高能量收集效率，此类摩擦电材料(PVDF，PTFE，PET)需要进行表面改性以增加有效接触面积。诸如纳米线和纳米颗粒这样的特殊图案通常被用于摩擦电材料的表面改性。然而，为了制备这些特殊图案，需要使用诸如电感耦合等离子体干法刻蚀等高成本，复杂的技术。

传感器技术是智能农业中最重要的组成部分之一。它需要部署各种通过网络集成的传感器。植物可穿戴式传感器，有助于在例如温度，湿度和土壤养分等环境条件下进行特定地点监视，以及对植物生长速率的监视，在耕作过程中可以实现精确管理，并由此提高了效率和生产率。但是以聚合物胶带和/或聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基材的实时植物可穿戴传感器，在传感范围上有局限性。例如，可穿戴式磁带传感器显示只有7％的应变与电阻变化相对应。而基于PDMS的植物传感器在25％的应变范围内具有线性相关性。

另一方面，由碳材料制成的薄膜传感器提供了一种监测氨气的方法，这也是农场系统中需要监测的一个组成部分。现有的薄膜传感器，尽管响应时间短且灵敏度高，但它们的可拉伸性仍然有限。

也就是说，用于制造植物实时可穿戴式传感器和氨传感器的所有上述材料均具有有限的可拉伸性，因此对于快速生长的植物而言，这些材料都不可行。而且，传感器的电极通常都是由昂贵的贵金属(Au，Ti)制成。要将这些电极安装在传感器上，需要例如电子束、高压蒸气等先进技术和设备。

因此，希望开发一种可伸缩，成本低，灵敏度高的用于智能农业的植物可穿戴传感器。

根据本发明实施例的导电离子凝胶膜，可以用于清洁能源收集装置、传感器、以及电子皮肤。

发明内容