一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法

本发明属于摩擦纳米发电机。

背景技术：

1、随着智能设备和物联网技术的持续发展，智能控制与生物传感系统的需求也随之急剧增长。传统智能控制和生物传感系统虽已取得重大进展并广泛应用，但因其体积庞大、重量沉重，不适宜便携式设备。此外，对外部电源的依赖及周期性电池更换需求会中断连续监测，影响系统可靠性。为此，研究者转向开发体积更小、重量更轻、自供电的智能控制和生物传感系统。

2、可穿戴摩擦纳米发电机(w-teng)能将人体运动的低频动能转换为电能，为智能控制和生物传感系统的微型化提供了一种解决能源依赖的可持续方案。w-teng的透气性是其重要特性之一，有助于防止皮肤过敏或瘙痒。此外，w-teng与人体接触的表面应具有吸汗加速排汗的亲水性和抗菌性，以阻止细菌感染；而外表面则应具有疏水性，以提高自洁能力并延长使用时间。因此，实用的w-teng应同时具备透气性、外表面疏水、内表面亲水及抗菌活性。

3、在众多材料中，聚偏二氟乙烯(pvdf)以其优良的非反应性、电负性、介电特性及显著的柔韧性和机械强度而被视为制造w-teng的理想材料。目前pvdf基的teng技术主要集中在电输出性能的优化上，但安全性和物理舒适性方面的考量仍不足，这在很大程度上限制了其应用。pvdf膜的制造主要依赖相位反转技术、溶剂蒸发技术和电纺丝技术，这些技术存在制造上的局限，例如相位反转技术在透气性和表面粗糙度上的挑战，溶剂蒸发技术可能引起薄膜收缩不均，而电纺丝则因低生产率和高成本而不适合大规模生产。因此，迫切需要开发一种简单且成本低廉的新方法，以制备具有理想特性的高电输出teng。

技术实现思路

1、本发明要解决现有pvdf基teng无法同时具备高电输出性能、透气性、外表面疏水、内表面亲水及抗菌活性的问题，进而提供一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法。

2、一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，它是按以下步骤进行的：

3、一、ag@mxene的合成：

4、将mxene纳米片均匀分散于去离子水中，得到mxene溶液，然后将agno3水溶液加入到mxene溶液中并超声处理，最后依次进行离心、超声分散于去离子水中及冷冻干燥，得到ag@mxene；

5、二、制备mxp/ag@mxpc膜：

6、①将ag@mxene加入到二甲基亚砜中超声分散，然后加入pvdf粉末和醋酸纤维素粉末，最后在密封条件下加热均匀化处理，得到底层浇注溶液；

7、②将mxene纳米片加入到二甲基亚砜中超声分散，然后加入pvdf粉末，最后在密封条件下加热均匀化处理，得到顶层浇注溶液；

8、③在基底表面依次涂覆底层浇注溶液及顶层浇注溶液，然后在温度为-20℃～-40℃的条件下，冷却30s～60s，冷却后浸入温度为0℃～4℃的冰水中4h～12h，最后取出、真空干燥并去除基底，得到mxp/ag@mxpc膜。

9、本发明的有益效果是：

10、本发明首次提出并实现了一种组合结晶扩散法(ccd)用于制备高性能的可穿戴摩擦纳米发电机(w-teng)，可以通过一步、低成本的方法制备出多孔、透气、抗菌、janus浸润性、高输出及生物相容性的双层摩擦电负介电层(mxp/ag@mxpc)。水蒸气透过率可达6779.39g/m2·24h，顶面和底面的水接触角可达142.65°和69.27°。mxp/ag@mxpc的teng在8mω负载下的最大峰值功率密度可达29w/m2。基于所获得的复合材料的优异性能，将可以将其应用于人体运动监测。

11、说明书附图

12、图1为本发明组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备示意图；

13、图2为实施例一步骤一制备的ag@mxene的形态和元素分布，a为ag@mxene的扫描电镜图，b为ag@mxene的haadf-stem图像，c为元素图谱；

14、图3为实施例二制备的2_mxp/2_ag@mxpc膜的sem图像，i为截面整体图，ii为顶层截面放大图，iii为底层截面放大图，iv为顶层表面图，v为底层表面图；

15、图4为实施例二制备的2_mxp/2_ag@mxpc膜的内部孔隙尺寸分布图；

16、图5为实施例二制备的2_mxp/2_ag@mxpc膜中嵌入顶层的mxene和嵌入底层的ag@mxene的扫描电镜图像，a为顶层，b为底层；

17、图6为x_mxp/y_ag@mxpc膜水蒸气透过率随顶层中mxene和底层中ag@mxene含量的变化对比图，0为对比实验一制备的0_mxp/0_ag@mxpc膜，1为实施例一制备的1_mxp/1_ag@mxpc膜，2为实施例二制备的2_mxp/2_ag@mxp膜c，3为实施例三制备的3_mxp/3_ag@mxpc膜，4为实施例四制备的4_mxp/4_ag@mxpc膜；

18、图7为水接触角测试对比图，ⅰ为对比实验三制备的pvdf膜(nips)顶面，ⅱ为对比实验二制备的pvdf膜(ccd)顶面，ⅱ为实施例一制备的1_mxp/1_ag@mxpc膜顶面，ⅳ为实施例一制备的1_mxp/1_ag@mxpc膜底面，ⅴ为实施例二制备的2_mxp/2_ag@mxpc膜顶面，ⅵ为实施例二制备的2_mxp/2_ag@mxpc膜底面，ⅶ为实施例三制备的3_mxp/3_ag@mxpc膜顶面，ⅷ为实施例三制备的3_mxp/3_ag@mxpc膜底面；

19、图8为对比实验二制备的pvdf膜(ccd)底面及对比实验四pvdf/ca膜(ccd)底面的水接触角对比图；

20、图9为利用实施例二2_mxp/2_ag@mxpc膜制备的teng的性能测试，i、ii及ii为电压、电流和电荷对频率的响应特性，iv为在4hz频率下电压输出和功率密度与电阻负载的关系；

21、图10为实施例二制备的2_mxp/2_ag@mxpc膜的抗菌性和生物相容性测试，i为2_mxp/2_ag@mxpc膜处理后的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在琼脂板上留存的菌落图，ii为2_mxp/2_ag@mxpc膜不同时间的杀菌效率，iii为2_mxp/2_ag@mxpc膜的生物相容性图；

22、图11为利用实施例二2_mxp/2_ag@mxpc膜制备的teng在人体运动的检测图，i为teng对手指敲击、拳头锤击和手掌拍击的响应电压信号图，ii为teng在手指弯曲30°、45°、60°和90°时的电压信号图，iii为teng对手腕弯曲的响应电压信号图，iv为teng对肘部弯曲的响应电压信号；

23、图12为实施例二制备的2_mxp/2_ag@mxpc膜的单轴拉伸应力-应变行为。

技术特征：

1.一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于步骤一中所述的mxene纳米片的质量与去离子水的体积比为1mg:(1～5)ml；步骤一中所述的agno3水溶液的浓度为1mg/ml～4mg/ml；步骤一中所述的mxene溶液与agno3水溶液的体积比为(8～12):1。

3.根据权利要求1所述的一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于步骤一中所述的超声处理具体是在功率为20w～180w的条件下，超声处理5min～15min。

4.根据权利要求1所述的一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于步骤一中所述的离心具体是在转速为8000r/min～12000r/min的条件下，离心10min～30min，且重复离心3次～5次，得到离心沉淀。

5.根据权利要求4所述的一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于步骤一中所述的超声分散于去离子水中及冷冻干燥具体是按以下步骤进行：将离心沉淀加入到去离子水中，然后在功率为20w～180w的条件下，超声处理30s～60s，最后在温度为-60℃的条件下，冷冻干燥12h～24h；所述的离心沉淀的质量与去离子水的体积比为1mg:(1～4)ml。

6.根据权利要求1所述的一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于步骤一中及步骤二②所述的mxene纳米片为尺寸为5μm～20μm的碳化钛纳米片。

7.根据权利要求1所述的一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于步骤二①所述的ag@mxene的质量与二甲基亚砜的体积比为(1～50)mg:1ml；步骤二①所述的ag@mxene与pvdf粉末的质量比为1:(10～20)；步骤二①所述的ag@mxene与醋酸纤维素粉末的质量比为(0.2～1):1。

8.根据权利要求1所述的一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于步骤二②所述的mxene纳米片的质量与二甲基亚砜的体积比为(8～50)mg:1ml；步骤二①所述的mxene纳米片与pvdf粉末的质量比为1:(3～15)。

9.根据权利要求1所述的一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于步骤二①及②所述的超声分散具体是在功率为20w～180w的条件下，超声处理30s～60s；步骤二①及②所述的在密封条件下加热均匀化具体是在密封、温度为60℃～80℃及搅拌速度为50r/min～120r/min的条件下，加热均匀化处理10min～20min。

10.根据权利要求1所述的一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于步骤二③中所述的基底为铝板；步骤二③中所述的底层浇注溶液的涂覆厚度为50μm～100μm；步骤二③中所述的顶层浇注溶液的涂覆厚度为50μm～100μm；步骤二③中所述的真空干燥具体是在真空度为2pa～1kpa的条件下，真空干燥12h～24h。

技术总结
一种组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备方法，它属于摩擦纳米发电机技术领域。本发明要解决现有PVDF基TENG无法同时具备高电输出性能、透气性、外表面疏水、内表面亲水及抗菌活性的问题。方法：一、Ag@MXene的合成；二、制备MxP/Ag@MxPC膜。本发明用于组合结晶扩散法增强的摩擦纳米发电机的制备。

技术研发人员：姜天一,张善国,李铭,吴昊,吴文龙,姜洪源
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/20