[发明专利]一种原位聚合表面修饰的纤维基摩擦纳米发电机及其制备

说明书

本发明提供了一种原位聚合表面修饰的纤维基摩擦纳米发电机及其制备方法。所述的原位聚合表面修饰的纤维基摩擦纳米发电机，其特征在于，包括表面原位构筑二氧化硅纳米颗粒(SiO₂ NPs)的摩擦电正性纳米纤维膜，以及表面原位构筑聚四氟乙烯纳米颗粒(PTFE NPs)的摩擦电负性纳米纤维膜。经过原位聚合表面修饰后的摩擦纳米发电机表面电荷量有望提高10～300％，短路电流有望提高20～300％，开路电压有望提高50～300％。本发明的摩擦纳米发电机电输出性能高、体积小、结构简单、制备工艺短，随着其性能的进一步提升，该摩擦纳米发电机在可穿戴电子领域的前景将更加广泛。

技术领域

本发明属于纳米能源和摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种原位聚合表面修饰的纤维基摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术

随着科技进步和社会发展，苹果手表、小米手环、谷歌眼镜等新型智能可穿戴产品相继进入人们的视野。这些电子设备逐步朝微型化、便携化等方向发展，对其能源供应系统提出了更严格的要求。传统的供能设备如锂离子电池或可充电电池，存在体积大、硬质、使用寿命有限、电解质易污染环境等问题，难以满足目前可穿戴产品的发展需求。因此开发能够持续稳定提供能源的微型供能系统，已成为目前微电子和可穿戴领域中亟待解决的问题。

摩擦纳米发电机的出现，为电子设备的可持续工作提供了可能。人们周围环境中存在各种形式的机械能，这些能量往往不能被很好的利用，而摩擦纳米发电机可以将这些日常被忽略的机械能转换为电能，其能量的转换不受时间、地点、环境气候的影响，且具有材料选择范围广、体积小、结构简单等优点。因此，自摩擦纳米发电机诞生以来，就受到了国内外的广泛关注。

目前，关于摩擦纳米发电机的研究主要集中在对摩擦材料的微观/宏观结构改性处理上，其中使用最多的是利用等离子体刻蚀、电化学腐蚀等技术手段，在接触材料的表面形成纳米线、纳米阵列等微观粗糙结构，或采用冷压后处理等在材料表面形成致密凹凸结构，以提高接触材料的表面电荷密度和摩擦纳米发电机的输出功率。在材料微观结构设计方面，国内专利CN107612414A公开了一种利用感应耦合等离子体方法对材料进行刻蚀处理，获得表面具有纳米线微观结构的聚四氟乙烯膜。在材料表面修饰方面，国内专利CN106301063A公开了采用纳米压印技术在高分子聚合物材料表面上进行修饰，形成具有凹凸纳米结构的摩擦层，增大了粗糙度和接触面积，实现了摩擦纳米发电机的高输出。然而这些技术手段大多存在工艺复杂、成本高、对材料损伤大等缺陷。因此开发一种简单高效的处理工艺，获得具有高粗糙结构的摩擦材料，从而提升电输出性能，将对高性能摩擦纳米发电机的发展至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位聚合表面修饰的纤维基摩擦纳米发电机的制备方法，通过原位聚合表面修饰技术在纳米纤维表面构筑多级粗糙结构，提高摩擦材料的有效接触面积，实现摩擦纳米发电机的高能量输出。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种原位聚合表面修饰的纤维基摩擦纳米发电机，其特征在于，包括表面原位构筑二氧化硅纳米颗粒(SiO₂NPs)的摩擦电正性纳米纤维膜，以及表面原位构筑聚四氟乙烯纳米颗粒(PTFE NPs)的摩擦电负性纳米纤维膜。

优选地，所述的表面原位构筑二氧化硅纳米颗粒(SiO₂NPs)的摩擦电正性纳米纤维膜，以及表面原位构筑聚四氟乙烯纳米颗粒(PTFE NPs)的摩擦电负性纳米纤维膜的表面形成多级微纳结构。

优选地，所述的表面原位构筑二氧化硅纳米颗粒(SiO₂NPs)的摩擦电正性纳米纤维膜，以及表面原位构筑聚四氟乙烯纳米颗粒(PTFE NPs)的摩擦电负性纳米纤维膜的背面皆复合一层导电材料，作为摩擦纳米发电机电压和电流的输出电极。