[发明专利]一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机及其制备方法

摘要

本发明提供了一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机及其制备方法，该摩擦纳米发电机包括：依次层叠分布的第一个高分子聚合物薄膜层，摩擦电极层以及第二个高分子聚合物摩擦薄膜层，人体作为第二电极，与大地相连接，两层摩擦薄膜都是由柔性的高分子聚合物形成，外表面上都修饰有纳米结构；所述的柔性高分子聚合物薄膜层可穿戴在人体上，与人体皮肤相互摩擦；所述摩擦电极层为摩擦纳米发电机的电压和电流输出电极。利用表面修饰凹凸纳米结构的柔性材料作为两层高分子聚合物薄膜层，增加了摩擦面的粗糙度和接触面积，产生更多的感应电荷。本发明提供的摩擦纳米发电机采用独特的双面摩擦层和柔性材料，可以收集不同方向的能量，实现更高能量的输出。

主权项

1.一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：该摩擦纳米发电机包括：依次层叠分布的第一个高分子聚合物薄膜层，摩擦电极层以及第二个高分子聚合物摩擦薄膜层，人体作为第二电极，与大地相连接，两层摩擦薄膜都是由柔性的高分子聚合物形成，外表面上都修饰有纳米结构；所述的柔性高分子聚合物薄膜层可穿戴在人体上，与人体皮肤相互摩擦；所述摩擦电极层为摩擦纳米发电机的电压和电流输出电极；所述的高分子聚合物薄膜是双层的，与人体接触摩擦的摩擦面是双面式的；所述的高分子聚合物薄膜层两层是一体的或分离式的，所用材料是相同的或不同的；其中所采用的材料是柔性高分子聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、UV固化胶NOA61或巯基‑烯(Thiol‑ene)，厚度为0.1‑2mm；所述的高分子聚合物薄膜外表面上修饰纳米结构，纳米结构尺寸为10‑500nm，深度1‑30μm，其中纳米结构是纳米尖、纳米针、纳米柱、纳米颗粒；所述的摩擦电极层是第一电极，第二电极是人体皮肤或衣服纤维；所述的摩擦电极层选用导电材料，石墨烯、导电玻璃、金属或合金，其中金属是金、银、铝、镍、铜、铁、钛、钨，其中合金为上述金属的；所述的摩擦电极层的厚度为0.1‑10μm；该方法包括如下步骤：步骤(1)制备双面式纳米结构摩擦层在两层高分子聚合物膜上的外表面制备纳米尺度的结构，将没有结构的一面连接在一起，得到双面式的纳米结构摩擦层；采用牺牲模板的紫外光固化纳米压印技术制备纳米柱阵列结构，利用一块直径为200nm，深度5μm的多孔阳极氧化铝模板(21)，模板面积为3cm×3cm，重量为2g，利用酒精溶液对其表面进行清洁处理；配制黏度为3.5cp，杨氏模量为1GPa的液体紫外光固化巯基‑烯材料，利用滴管在模板上滴一滴液体巯基‑烯材料，轻轻倾斜摇动模板，形成一层均匀的厚度为1mm的巯基‑烯材料层(22)，同时巯基‑烯材料也会克服纳米孔的表面张力流进孔内将其填充完全；放置在紫外光下照射固化，温度为21℃，光强为40mW/cm²，固化时间为1min；利用湿法腐蚀的方法溶解掉多孔氧化铝模板，采用浓度为10g/mL的NaOH水溶液腐蚀掉模板，腐蚀的速率为6g/h，时间为20min，最后残留下巯基‑烯材料的纳米柱结构(23)；步骤(2)制备摩擦电极在两层无结构面的摩擦层之间加入一层导电层，收集两层摩擦面的感应电荷，形成摩擦电极；步骤(3)制备双面式摩擦纳米发电机将步骤(1)和步骤(2)中的双面式摩擦层和摩擦电极封装集成，依次层叠第一层摩擦层、摩擦电极层和第二层摩擦层，得到双面式摩擦纳米发电机；步骤(1)中，针对分离式两层摩擦层，采用纳米压印技术分别在两层高分子聚合物表面制备纳米结构，然后将无结构面粘接在一起；针对一体式的双面摩擦层，采用光学曝光技术、干法刻蚀工艺结合双面压印技术一次成型双面纳米结构；步骤(2)中，针对分离式两层摩擦层，采用电子束蒸镀技术在其中一层高分子聚合物背面镀导电层作为摩擦电极；针对一体式的双面摩擦层，在材料固化成型前将导电材料嵌入材料的中间，形成一层电极层，隔断两个摩擦面；步骤(3)中，利用热固化聚二甲基硅氧烷(PDMS)或紫外光固化的巯基‑烯(Thiol‑ene)作为粘接材料，将两层摩擦层和摩擦电极集成封装。