一种基于改性酪蛋白薄膜的柔性可穿戴摩擦纳米发电机

本发明属于蛋白质类生物质高值化利用和摩擦纳米发电机领域，具体涉及一种基于改性酪蛋白薄膜的柔性可穿戴摩擦纳米发电机。

背景技术：

1、得益于科技的快速进步与发展，智能可穿戴设备也无论是在材料选择、结构设计还是功能集成方面都愈加丰富。然而，目前大多数柔性电子设备仍然无法脱离电源独立工作，这在很大程度上限制了其实际应用。摩擦纳米发电机作为一种能够将机械能量收集并实现有效电能转化的装置，不仅可以作为传感器对运动信号、环境信号进行监测，同时还能避免对一次性电源的依赖，因此在可穿戴自供电电子设备领域受到了广泛关注。但不可忽视的是，合成聚合物作为构筑摩擦纳米发电机材料的主力军，使得摩擦纳米发电机的制备过程复杂且有违绿色可持续发展理念。因此，研发成本低廉、可再生且具有良好生物相容性的生物质基摩擦材料势在必行。此外，生物质材料来源于自然，用其制备摩擦起电层可以实现与皮肤的亲和性，不会对皮肤造成损害，因此更适合用于可穿戴设备。

2、酪蛋白是一种源自牛奶的天然高分子产物，来源稳定且具有出色的可降解性、成膜性。此外，酪蛋白含有丰富的酰胺基、氨基、羧基等极性基团，不仅为其改性提供了大量的活性位点，还为提高摩擦电输出提供了大量供电子基团。因此，可以充分利用这些特性，以实现天然高分子产物的有效利用，同时对摩擦纳米发电机材料选择方面的拓宽有积极作用。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于改性酪蛋白薄膜的柔性可穿戴摩擦纳米发电机，通过对天然蛋白质进行化学修饰，赋予其具有更强的供电子能力，并将其作为正摩擦层材料以提高摩擦纳米发电机的电输出性能与稳定性。

2、本发明所要解决的技术问题，通过以下技术方案予以实现：

3、一种基于改性酪蛋白薄膜的柔性可穿戴摩擦纳米发电机，包括大小一致的正摩擦层材料、负摩擦层材料，在正摩擦层材料和负摩擦层材料的一面贴有电极，电极朝外，摩擦层材料朝内，导线与上下两个电极进行连接，并在正负摩擦层之间采用绝缘且具有弹性的间隔物保持一定距离，其中，正摩擦层材料为改性酪蛋白薄膜，具体是将酪蛋白进行改性处理，后干燥成膜得到的改性酪蛋白薄膜。

4、上述改性酪蛋白薄膜具体由以下方法制得：将酪蛋白粉末溶解于碱性溶液中，控制溶解温度为60~65℃，溶解时间为1~2 h，得到酪蛋白溶解液；随后升温至75℃，同时以恒定速度滴加质量分数为20 %的己内酰胺水溶液和一定量的硅烷偶联剂，待滴加完毕后，75℃保持下反应1~2 h，即可获得改性酪蛋白乳液，而后在真空下脱气10 min以去除气泡，倒入模具中干燥成膜。

5、上述碱性溶液采用三乙醇胺、氢氧化钠或氨水。

6、己内酰胺水溶液为酪蛋白质量的43%，硅烷偶联剂为酪蛋白质量的2%~6%

7、上述硅烷偶联剂采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷kh550、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷kh560、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷kh570、n-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷kh792中的一种。

8、上述的负摩擦层材料采用聚二甲基硅氧烷pdms、硅橡胶ecoflex、聚四氟乙烯teflon、氟化乙烯丙烯共聚物fep 中的一种。

9、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

10、（1）在材料上，酪蛋白这种生物材料鲜有引入摩擦发电机领域，酪蛋白由于表面有很多酰胺基、氨基等基团，具有较强的给电子能力，是一种理想的摩擦纳米发电机材料；此外，这些基团能够提供大量反应活性位点，可通过化学改性的方法提高酪蛋白的吸/给电子能力以及柔韧性。

11、（2）与其他生物材料相比，酪蛋白膜具有优异的成膜性能，来源广泛，且具有良好的生物相容性和生物可降解性，能够代替合成聚合物的使用，符合可持续发展理念。

12、（3）由生物质材料组成的该摩擦纳米发电机结构简单且输出性能高，其开路电压可达143 v，灵敏度为1.84 v/kpa-1，且依赖于酪蛋白优异的透气性、透水汽性和亲肤性，本发明制备所得的摩擦纳米发电机在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种基于改性酪蛋白薄膜的柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种基于改性酪蛋白薄膜的柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于：所述改性酪蛋白薄膜具体由以下方法制得：将酪蛋白粉末溶解于碱性溶液中，控制溶解温度为60~65℃，溶解时间为1~2 h，得到酪蛋白溶解液；随后升温至75℃，同时以恒定速度滴加质量分数为20 %的己内酰胺水溶液和一定量的硅烷偶联剂，待滴加完毕后，75℃保持下反应1~2 h，即可获得改性酪蛋白乳液，而后在真空下脱气10 min以去除气泡，倒入模具中干燥成膜。

3.根据权利要求2所述的一种基于改性酪蛋白薄膜的柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于：所述碱性溶液采用三乙醇胺、氢氧化钠或氨水。

4.根据权利要求2所述的一种基于改性酪蛋白薄膜的柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于：己内酰胺水溶液为酪蛋白质量的43%，硅烷偶联剂为酪蛋白质量的2%~6%

5.根据权利要求1所述的一种基于改性酪蛋白薄膜的柔性可穿戴摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的负摩擦层材料采用聚二甲基硅氧烷pdms、硅橡胶ecoflex、聚四氟乙烯teflon、氟化乙烯丙烯共聚物fep 中的一种。

技术总结
本发明公开了一种基于改性酪蛋白薄膜的柔性可穿戴摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机由正摩擦层材料改性酪蛋白薄膜、负摩擦层材料以及摩擦层两侧电极构筑而成。其中，酪蛋白的改性是通过加入己内酰胺及含带不同官能团结构的硅烷偶联剂实现，改性后的酪蛋白薄膜能够有效增大正负摩擦层之间的电势差，其开路电压可达到143 V，灵敏度为1.84 V/kPa<supgt;‑1</supgt;，这表明本发明可提高该摩擦纳米发电机的电输出性能。本发明制备方法的材料来源丰富、绿色环保、操作简单，适合规模化生产，且对摩擦纳米发电机材料选择方面的拓宽有积极作用。

技术研发人员：徐群娜,徐小雨,马建中,李振扬,庞景文
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25