掺导电材料提高纳米发电机摩擦层纵向电荷密度的PDMS复合膜及其制备方法

摘要

本发明公开了一种掺导电材料提高纳米发电机摩擦层纵向电荷密度的PDMS复合膜及其制备方法，包括如下步骤：1)取衬底，取铝箔粘在衬底上；2)在铝箔上旋涂PDMS溶液，旋涂完即在真空腔中抽真空，然后加热固化；3)用磁控溅射方法在PDMS表面喷金；4)进行等离子体处理，旋涂PDMS溶液；5)真空腔中抽真空，加热固化；6)重复步骤3)至步骤5)，得到有不同金层数的PDMS金复合膜。本发明成功制得了一种有高的转移电荷密度，并同时具有生物相容性和低阻抗特性的G‑TENG，通过在摩擦面的近表面出埋下金层而增加内部电子区域从而增加TENG的输出，金层有利于电子在摩擦层内部漂移并起到捕获电子的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，具体涉及一种掺导电材料提高纳米发电机摩擦层纵向电荷密度的PDMS复合膜及其制备方法。

背景技术

近年来，基于静电感应效应和摩擦起电效应的耦合的摩擦纳米发电机(TENG)被越来越多地用于收集周围环境机械。因为TENG可以直接将机械能转换成电能，并立即给小型的电子器件供电，许多研究表明TENG可以有效地将诸如人体的运动，海浪，风等存在于我们周围环境中的机械能收集起来。随着如生物医学传感器、电子皮肤和人机交互传感器等基于TENG技术的传感设备的发展，人们就更加期望可以有一种具有生物友好性的TENG的摩擦材料，扩大表面电荷密度来扩大它的应用面。随着TENG的理论基础逐步完善，我们可以通过理论分析过程从根本上来提高TENG的输出性能。

作为驻极体中的一员的聚合二甲基硅氧烷(PDMS,[Si(CH₃)₂O]n)，由于其拥有可塑性，透明度，柔韧性，高电负性和生物兼容性等优点，常常作为制作TENG的首选材料。然而，很多之前的工作主要集中于材料表面结构和化学的修饰的研究，对于摩擦层内部的空间结构鲜有研究。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够通过掺导电材料来提高纳米发电机摩擦层纵向电荷密度的PDMS复合膜及其制备方法。

本发明实现其目的采用的技术方案为：

一种掺导电材料提高纳米发电机摩擦层纵向电荷密度的PDMS复合膜的制备方法，包括如下步骤：

1)取一块纳米发电机衬底，取一片铝箔粘在衬底上；

2)在铝箔上旋涂PDMS溶液，旋涂的速度为100～8000rpm，旋涂时间5～100s，旋涂完即在真空腔中抽真空10～120分钟，然后将其置于40～70摄氏度的加热板上加热0.5～6.5小时固化，得到PDMS层；

3)用磁控溅射的方法在PDMS表面进行时长为10～80秒的喷金；

4)将喷金后的PDMS膜进行等离子体处理，随后再进行PDMS溶液的旋涂，旋涂速度为3000～9000rpm，时间为20～70s；

5)旋涂完PDMS溶液后即在真空腔中抽真空30～120分钟，然后置于40～70摄氏度的加热板上加热0.5～6.5小时固化，得到有一层金层的PDMS金复合膜；

6)重复步骤3)至步骤5)，得到有不同金层数的PDMS金复合膜。

所述衬底为亚克力板或者PVC或者木材或者玻璃或者树脂板或者聚酰亚胺板或者PET板或者尼龙板或者PP板或者PMMA板或者PTFE板。

所述步骤3)中喷金采用离子溅射仪，设置仪器的真空度为5×10^-2pa、电流强度为15mA。

一种掺导电材料提高纳米发电机摩擦层纵向电荷密度的PDMS复合膜，所述PDMS复合膜从下往上依次设置有衬底、铝箔层、第一PDMS层、至少一层Au-PDMS复合层，所述Au-PDMS复合层包括金层和在金层上方的第二PDMS层。

所述Au-PDMS复合层的层数为1～6层。

上述PDMS复合膜由前述的方法制得。

本发明的有益效果是：成功制得了一种有高的转移电荷密度，并同时具有生物相容性和低阻抗特性的G-TENG。本发明通过在摩擦面的近表面出埋下金层而增加内部电子区域从而增加TENG的输出，金层有利于电子在摩擦层内部漂移并起到捕获电子的作用。实验结果显示，G-TENG的转移电荷密度最高可达到168μCm^-2,几乎是纯PDMS-TENG输出的四倍；结果证实了理论模型的适应性，本发明有助于发展和建设TENG的理论系统，提供了简单和新颖的方式通过内部构造和新的理论模型来实现高的电荷密度。

说明书附图

图1是本发明的PDMS复合膜的制备流程图。

图2是GPCF的结构示意图，其中，a是GPCF的结构示意图，b、c分别是等离子体处理后的金层和GPCF的横截面的场发射扫描电镜(FE-SEM)照片，d是展示GPCF柔性和透明度的实物图。

图3是不同金层的G-TENGs的转移电荷密度检测结果图，其中，a为不同金层数的G-TENG的转移电荷密度，b为不同金层数的G-TENG在不同持续工作时间的转移电荷密度。

图4是4层金的G-TENG的性能测试图，其中，a为4层金的G-TENG在不同外加负载情况下的电流输出密度和输出电压，b为4层金的G-TENG在不同外加负载情况下的输出功率，c为4层金的G-TENG给商用电容器充电的V-T图，d为自驱动手表的工作示意图及电路原理图。

图5为本发明的PDMS复合膜的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1 金复合膜纳米发电机(G-TENG)的组装

制备本发明的掺导电材料提高纳米发电机摩擦层纵向电荷密度的PDMS复合膜(即G-TENG的负摩擦层)，按照如下步骤操作(流程如图1所示)：

1)取一块边长为4厘米长的正方形亚克力板(也可选用PVC或者木材或者玻璃或者树脂板或者聚酰亚胺板或者PET板或者尼龙板或者PP板或者PMMA板或者PTFE板)作为衬底，将一片同样大小的铝箔用双面的聚酰亚胺胶带粘在亚克力板上。

2)在铝箔上旋涂PDMS溶液(硅酮树脂184，Dow Corning)，旋涂的速度为100～8000rpm，旋涂时间5～100s，旋涂完即在真空腔中抽真空10～120分钟，然后将其置于40～70摄氏度的加热板上加热0.5～6.5小时固化，得到PDMS层。

3)采用磁控溅射的方法(使用仪器为小型离子溅射仪SBC-12)在PDMS表面进行时长为10～80秒的喷金，设置仪器的真空度为5×10^-2pa、电流强度为15mA。

4)将喷金后的PDMS膜进行等离子体处理，随后再进行PDMS溶液的旋涂，旋涂速度为3000～9000rpm，时间为20～70s。

5)旋涂完PDMS溶液后即在真空腔中抽真空30～120分钟，然后置于40～70摄氏度的加热板上加热0.5～6.5小时固化，得到有一层金层的PDMS金复合膜(GPCF)。

6)重复步骤3)至步骤5)，最后得到有不同金层数的G-TENG的负摩擦层。

本实施例中按照上述步骤分别制得了有1、2、3、4层金的G-TENG的负摩擦层，制备这4种G-TENG的负摩擦层时，步骤2)～步骤5)中的各技术参数如下表1所示：

表1 制备不同金层数的G-TENG的负摩擦层时使用的具体技术参数

上述过程中，在真空腔中抽真空，提高了PDMS和铝电极、金与PDMS的表面效应。

GPCF的示意图如图2a所示，等离子体处理后的金层和GPCF的横截面的场发射扫描电镜(FE-SEM)照片分别如图2b和图2c所示。图2d是GPCF的照片，其展示了GPCF的柔性和透明度。

用上述制备的不同金层的GPCF制作出不同的G-TENGs，它们的转移电荷密度如图3a所示，FE-SEM图清楚地显示了它们的金层数从4到0。它们的电荷密度为16.8nC>-2,16.7nC>-2,14.5nC>-2,9.7nC>-2and5.3nC>-2，随着层数增加，它们的转移电荷密度逐渐增加且逐渐稳定在16.8nC>-2。使用COMSOL>

图4a展示的是4层金的G-TENG在电阻负载从0Ω变化到200MΩ的过程中输出电压与电流。随着负载电阻增加，输出电压增加，而输出电流减小。4层G-TENG的当负载电阻为8MΩ时，输出功率达到最大为1Wm^-2(图4(b))，较低电阻意味着较低的阻抗，意味着G-TENG有着较广泛的应用。4层金的G-TENG可为商用电容器进行充电的电压随时间的变化如图4c所示。如图4d所示，我们将4层金的G-TENG与电子表进行组装，最后得到一个自驱动的电子表，它将人体运动的机械能转化为电能并驱动电子表工作，图4d中的插图为自驱动手表的电路管理图。另外，4层金的G-TENG产生的电能也可直接被用于点亮多盏商用LED。

本申请成功制得了一种有高的转移电荷密度，并同时具有生物相容性和低阻抗特性的G-TENG，通过在摩擦面的近表面处埋下金层而增加内部电子区域从而增加TENG的输出。通过理论分析，金层有利于电子在摩擦层内部漂移并起到捕获电子的作用。实验结果显示，G-TENG的转移电荷密度最高可达到168μCm^-2,几乎是纯PDMS-TENG输出的四倍。结果证实了理论模型的适应性，本申请有助于发展和建设TENG的理论系统，提供了简单和新颖的方式：通过内部构造和新的理论模型来实现高的电荷密度。

实施例2 制备本发明的PDMS复合膜

按照实施例1的方法制备有3层金层的PDMS复合膜，其结构示意图如图5所示，从下往上依次为：衬底1、铝箔层2、第一PDMS层3、三层Au-PDMS复合层4，所述Au-PDMS复合层4由金层5和在金层上方的第二PDMS层6组成。