[发明专利]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

说明书

本发明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。本发明所述耐高温柔性摩擦纳米发电机传感器为芯‑鞘结构，包括摩擦电负极、摩擦电正极和离子凝胶电极，其中以3D打印方法制备外表面具有突起的立体图案硅胶管作为电负性摩擦层，芳纶无纺布作为电正性摩擦层，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。基于图案化的硅胶管以及材料的组装结构，本发明传感器不仅有较高的电输出信号，还可以拉伸、扭曲、弯折；基于离子凝胶、硅胶与芳纶固有的耐高温属性，传感器在高温度环境下具有较好的温度阻抗效果，可应用于高温环境中的可穿戴设备。

技术领域

本发明属于摩擦发电技术领域，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。

背景技术

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。

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，本发明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。

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。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明目的通过以下技术方案实现：

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：

(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。

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。

优选地，步骤(1)、(2)所述交联剂均为乙二醇二甲基丙烯酸酯。

优选地，步骤(1)、(2)所述引发剂均为1-羟基环己基苯酮。

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。