一种混合结构的静电纺摩擦纳米发电机及其制备方法、纺丝设备

本发明涉及一种混合结构的静电纺摩擦纳米发电机及其制备方法、纺丝设备，属于纳米发电。

背景技术：

1、可穿戴电子设备拥有可以整合到衣服中或作为配件佩戴，而无需植入人体的等优点。它们不仅在功能上取代了传统的大型医疗电子设备，减少了对医疗专业人员的需求，提高生活质量。然而，可穿戴传感器通常具有一定的能耗，需要稳定的电源来维持其工作。传统电池需要频繁充电，其独特的刚性也影响了制造的可穿戴设备的灵活性和轻量化。

2、自供电技术是一种无需外部能源供应，通过在工作环境中收集能量来维持自身运行的新型能源供应技术。其中，具有成本低、结构多样、输出功率稳定、能量转化率高的摩擦电纳米发电机(teng)被用于收集人体运动、风能、水能等机械能，并将其转化为电能，集成至柔性可穿戴电子产品中，解决可穿戴设备的电池依赖的需求。

3、目前用于提高摩擦电纳米发电机的输出性能的途径主要有两种，一是通过选择最佳摩擦材料或引入驻极体来增加表面电荷，二是提高摩擦层的粗糙度用于提高其接触时的比表面积。除了teng的输出性能外，其佩戴舒适性也是尤为重要的。因此，采用有高比表面积、纵横比、孔隙率和丰富的接触位点等特点纳米纤维膜(nfms)，不仅提高teng的电输出性能和透气性，还可以提供更大的接触面积。此外，nfms的独特结构能够提高灵敏度和响应速度，这对传感器来说都是至关重要的。

4、但是，一些静电纺纳米纤维(如pvdf及其共聚物)在与其他材料在接触过程中容易分层，且分层行为是不可逆的，影响其在使用过程中的耐久性与稳定性，这限制了它们在可穿戴传感器中的应用。为抑制一些聚合物纳米纤维膜易分层的缺陷，研究人员通常采用混合纺丝的方法，但可能会出现聚合物共混性能差，难以改善其原有的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种混合结构的静电纺摩擦纳米发电机及其制备方法、纺丝设备，可以有效改善pvdf及其共聚物纳米纤维在使用过程中容易分层的缺点。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供一种混合结构的静电纺摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：

4、将聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物分散在n,n-二甲基甲酰胺/丙酮的混合溶剂中，搅拌时间a后得到聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物纺丝溶液；

5、在n,n-二甲基甲酰胺/丙酮的混合溶剂中加入炭黑，超声，得到cb-n,n-二甲基甲酰胺/丙酮溶液；在cb-n,n-二甲基甲酰胺/丙酮溶液中加入聚氨酯，搅拌时间b后得到聚氨酯/炭黑纺丝溶液；

6、将聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物纺丝溶液和聚氨酯/炭黑纺丝溶液混合进行静电纺丝，得到混合结构的纳米纤维膜；

7、对纳米纤维膜进行切割后将导电织物粘贴在其表面，制得纳米发电机的负极材料；

8、利用负极材料完成纳米发电机的组装，得到静电纺摩擦纳米发电机。

9、进一步的，聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物纺丝溶液的质量百分数范围为5～10wt％，聚氨酯/炭黑纺丝溶液的质量百分数范围为15～20wt％。

10、进一步的，搅拌均在室温下进行，搅拌时间a为6～8h，搅拌时间b为4～6h。

11、进一步的，所述导电织物为具有镍-铜涂层的导电织物，作为组装teng的电极。

12、进一步的，利用负极材料完成纳米发电机的组装，包括：将纳米发电机的正极材料和负极材料粘贴在纸折成的拱形状的两侧，并将其安装于线性电机上。

13、第二方面，本发明提供一种混合结构的静电纺摩擦纳米发电机，由上述任一项所述的制备方法制备得出。

14、第三方面，本发明提供一种纺丝设备，包括供液装置、储液装置、滚筒和高压电源，所述储液装置用于储存聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物纺丝溶液和聚氨酯/炭黑纺丝溶液，所述高压电源的正极与储液装置连接，其负极与滚筒连接。

15、可选的，所述储液装置设于滑轨装置上，所述滑轨装置能够带动储液装置作匀速移动，其移动方向与滚筒的转动方向垂直。

16、可选的，所述储液装置内部设有聚丙烯板块，所述聚丙烯板块用于将储液装置内部分割为两个部分，分别用于放置聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物纺丝溶液和聚氨酯/炭黑纺丝溶液。

17、可选的，所述储液额装置采用凹形铜管。

18、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

19、本发明对自由液面纺丝设备进行了重新设计，并制备出了tpu/cb串珠结构的纳米纤维与pvdf-trfe纳米纤维共混结构的纤维膜，解决了纯pvdf及其共聚物纳米纤维在使用过程中容易分层的问题，串珠结构的存在有利于提高膜的透气性与表面粗糙度，将pvdf-trfe纳米纤维锁住，抑制纤维的分层，提高摩擦电纳米发电机的电输出性。

技术特征：

1.一种混合结构的静电纺摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的混合结构的静电纺摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物纺丝溶液的质量百分数范围为5～10wt％，聚氨酯/炭黑纺丝溶液的质量百分数范围为15～20wt％。

3.根据权利要求1所述的混合结构的静电纺摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，搅拌均在室温下进行，搅拌时间a为6～8h，搅拌时间b为4～6h。

4.根据权利要求1所述的混合结构的静电纺摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述导电织物为具有镍-铜涂层的导电织物。

5.根据权利要求1所述的混合结构的静电纺摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，利用负极材料完成纳米发电机的组装，包括：将纳米发电机的正极材料和负极材料粘贴在纸折成的拱形状的两侧，并将其安装于线性电机上。

6.一种混合结构的静电纺摩擦纳米发电机，其特征在于，由权利要求1～5任一项所述的混合结构的静电纺摩擦纳米发电机的制备方法制备得出。

7.一种权利要求1～5任一项所述的混合结构的静电纺摩擦纳米发电机的制备方法用纺丝设备，其特征在于，包括供液装置、储液装置、滚筒和高压电源，所述储液装置用于分别储存聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物纺丝溶液和聚氨酯/炭黑纺丝溶液，所述高压电源的正极与储液装置连接，其负极与滚筒连接。

8.根据权利要求7所述的纺丝设备，其特征在于：所述储液装置设于间距调节装置上，间距调节装置用于调整储液装置和滚筒之间的距离，所述间距调节装置滑动连接于滑轨装置上，所述滑轨装置能够带动间距调节装置、储液装置作匀速移动，其移动方向与滚筒的转动方向垂直。

9.根据权利要求7所述的纺丝设备，其特征在于：所述储液装置内部设有聚丙烯板块，所述聚丙烯板块用于将储液装置内部分割为两个部分，分别与放置有聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物纺丝溶液和聚氨酯/炭黑纺丝溶液的供液装置连接。

10.根据权利要求7所述的纺丝设备，其特征在于：所述储液装置采用凹形铜管。

技术总结
本发明公开了一种纳米发电技术领域的混合结构的静电纺摩擦纳米发电机及其制备方法、纺丝设备，旨在解决现有技术中一部分静电纺纳米纤维在应用过程中容易分层等问题，其采用特有的自由液面纺丝设备批量制备了TPU/CB串珠结构的纳米纤维与PVDF‑TrFE纳米纤维共混的纤维膜。本发明可以有效改善PVDF及其共聚物纳米纤维在使用过程中容易分层的缺点，且串珠结构的存在还有利于提高膜的透气性与表面粗糙度，提高摩擦电纳米发电机的电输出性。

技术研发人员：徐岚,尹静
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15