基于柔性电纺丝网状膜的自充电系统和可穿戴电子设备技术方案

本发明专利技术提供了一种柔性电纺丝网状膜的制备方法，包括如下步骤：将预定量的非导电聚合物分散到溶剂中，以获得质量浓度为8‑15％的聚合物溶液；将聚合物溶液加入到带有喷射口的容器中，利用注射泵控制注射速度为0.6‑1.2mL/h，并在喷射口和接地接收端之间加12‑18kV的电压，以在接地接收端形成纤维网状膜；将纤维网状膜在空气气氛中进行预氧化处理，以获得聚合物纤维网状膜；和将聚合物纤维网状膜在惰性气氛中进行高温碳化处理，以获得碳纤维网状膜。利用本发明专利技术方法制备出的这些组成成分含杂质少、稳定无污染，且在制备柔性摩擦纳米发电机、柔性固态超级电容器和组装自充电系统的过程无需任何模板和复杂的后处理步骤。

Self charging system and wearable electronic device based on flexible electrospun mesh like film

The invention provides a preparation method of a flexible electrospun mesh film, comprising the following steps: a predetermined amount of non conducting polymer dispersed in a solvent, to obtain the concentration of polymer solution 8 15%; the polymer solution is added to the container with the jet, the use of injection pump injection speed control 0.6 1.2mL/h, and the voltage of injectors and 12 18kV between the ground receiver, to form the fiber reticular membrane in the ground receiving end; the fiber reticular membrane pre oxidation treatment in air atmosphere, in order to obtain polymer fiber and polymer fiber mesh membrane; high temperature carbonization treatment in reticular membrane in inert atmosphere, in order to obtain carbon fiber mesh membrane. By using the method of the invention for these components containing less impurities, stable and no pollution, and in the preparation process of self charging system of flexible friction nano generator, flexible solid supercapacitor and assembled without any template and complex postprocessing steps.

【技术实现步骤摘要】
基于柔性电纺丝网状膜的自充电系统和可穿戴电子设备
本专利技术涉及纳米发电机和超级电容器领域，特别是涉及一种柔性电纺丝网状膜的制备方法、基于该柔性电纺丝网状膜的柔性摩擦纳米发电机、柔性固态超级电容器、自充电系统和可穿戴电子设备。
技术介绍
摩擦纳米发电机具有成本低、高效率、无污染等优点。摩擦纳米发电机的输出为峰值、交流输出，因此，它不可以直接驱动电子设备。并且大部分用电情况都不是发电直接使用，而是需要将其储存起来再使用。所以可以将摩擦纳米发电机与电能储存装置相结合形成形同，从而得到稳定且持续的输出。目前较成熟的储存电能系统有锂离子电池和超级电容器。相比于锂离子电池，超级电容器的优势在于高能量密度、长循环密度以及环境友好等。因此，对于用来收集摩擦纳米发电机在低频所产出的脉冲电能，超级电容器是更好的选择。将摩擦纳米发电机与超级电容器结合，从而组成可以将机械能转化为电能并能储存的自充电系统。通常最简易的摩擦纳米发电机包括两种材料：一是摩擦纳米发电机的电极，同时可作为导电性较好的摩擦层；二是导电性较差的摩擦材料。最简易的超级电容器为平行板固态超级电容器，其包括有隔膜以及电容性质的活性材料也可作为电极。导电性较差的摩擦层，通常为聚合物，如PTFE、PP等；电极材料通常为金属，如铜、铝、钛片等，这些金属在一定的条件下很容易被氧化和腐蚀。近期，从成本、稳定性等方面来考虑，非金属电极被更多的研究者关注。其中非金属电极大致分为两类：一是导电聚合物，如聚吡咯等；二是碳材料，如石墨烯、碳管等。现有技术中存在利用电沉积法制备聚吡咯的方法，但电化学沉积方法要求必须为金属导电衬底，且在工业实践过程中需要配置电化学装置，不利于大规模生产，成本高，重复性差。同时在该工作以聚吡咯为电极和摩擦层的摩擦纳米发电机与超级电容器所形成的自充电系统不可弯曲，这局限了该系统收集机械能的应用范围。因此，研究出一种组分简易、操作简单、成本低、无污染、高效的柔性自充电系统以满足应用需求有着重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是要克服现有的摩擦纳米发电机和固态超级电容器的结构带来的缺点，提供一种柔性电纺丝网状膜的制备方法，并将制备出的柔性电纺丝网状膜应用在摩擦纳米发电机和固态超级电容器的结构中，并由此组装得到基于柔性电纺丝网状膜的自充电系统。本专利技术一个进一步的目的是满足现在对于便携式可穿戴电子设备的供电需求。为了满足现在社会的需求，例如可穿戴显示器、电子皮肤和分散式传感器这样的柔性集成的便携式可穿戴设备快速发展。所以这些设备的电源同样需要满足柔性、可穿戴、轻便等要求。而本专利技术是基于柔性电纺丝网状膜的自充电系统，能够应用于驱动一系列便携式电子设备。该系统内的摩擦纳米发电机可以收集人体运动所产生的机械能，并将其转化为电能。这部分电能经过整流可以储存在固态超级电容器里，从而使得固态超级电容器可以驱动电子设备。特别地，本专利技术提供了一种柔性电纺丝网状膜的制备方法，包括如下步骤：将预定量的非导电聚合物分散到溶剂中，以获得质量浓度为8-15％的聚合物溶液；将所述聚合物溶液加入到带有喷射口的容器中，利用注射泵控制注射速度为0.6-1.2mL/h，并在喷射口和接地接收端之间加12-18kV的电压，以使得所述聚合物溶液在电压静电作用下从所述喷射口喷出而得到拉伸，并伴随着所述溶剂的挥发而固化，以在所述接地接收端形成纤维网状膜；将所述纤维网状膜在空气气氛中进行预氧化处理，以获得聚合物纤维网状膜；和将所述聚合物纤维网状膜在惰性气氛中进行高温碳化处理，以获得碳纤维网状膜。进一步地，所述喷射口和所述接地接收端之间的距离为10-20cm；其中，所述纤维网状膜在空气气氛中进行预氧化处理的处理温度为200-280℃；其中，所述聚合物纤维网状膜在惰性气氛中进行高温碳化处理的处理温度为600-900℃。进一步地，所述非导电聚合物选自聚丙烯腈、聚乙烯吡络烷酮、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚双苯酚碳酸酯和聚氯乙烯中的一种或多种的组合。特别地，本专利技术提供了一种基于柔性电纺丝网状膜的柔性摩擦纳米发电机，包括：第一碳纤维网状膜层，其由上述的制备方法获得的碳纤维网状膜形成；第一聚合物纤维网状膜层，其由上述的制备方法获得的聚合物纤维网状膜形成，所述第一聚合物纤维网状膜层的上表面与所述第一碳纤维网状膜层的下表面相对设置或者所述第一聚合物纤维网状膜层的下表面与所述第一碳纤维网状膜层的上表面相对设置；和形成在所述第一聚合物纤维网状膜层的上表面或者下表面的导电层；其中，所述第一碳纤维网状膜层和所述第一聚合物纤维网状膜层构造成在所述摩擦纳米发电机受到外力作用时会发生相对位移，并通过所述第一碳纤维网状膜层和所述导电层向外电路输出电信号。进一步地，所述第一碳纤维网状膜层造成第一拱形状，所述第一聚合物纤维网状膜层构造成与所述第一碳纤维网状膜层的第一拱形状相对应的第二拱形状；其中，在所述摩擦纳米发电机受到外力作用时，所述第一碳纤维网状膜层和所述第一聚合物纤维网状膜层会从弯曲状态变为伸张状态，以使得所述第一碳纤维网状膜层和所述第一聚合物纤维网状膜层之间发生相对位移，以输出电信号；在所述摩擦纳米发电机受到的所述外力释放时，所述第一碳纤维网状膜层和所述第一聚合物纤维网状膜层会从伸张状态变为弯曲状态，以使得所述第一碳纤维网状膜层和所述第一聚合物纤维网状膜层之间发生相对位移，以输出相反的电信号。特别地，本专利技术提供了一种基于柔性电纺丝网状膜的柔性固态超级电容器，包括：第二聚合物纤维网状膜层，其由上述的制备方法获得的聚合物纤维网状膜形成；和形成在所述第二聚合物纤维网状膜层两侧的两层第二碳纤维网状膜层，每一碳纤维网状膜层由上述的制备方法获得的碳纤维网状膜形成。进一步地，所述第二聚合物纤维网状膜层和所述两层第二碳纤维网状膜层之间相互平行设置。特别地，本专利技术提供了一种基于柔性电纺丝网状膜的自充电系统，其中，包括：上述的柔性摩擦纳米发电机；上述的柔性固态超级电容器；和整流桥，用于将所述柔性摩擦纳米发电机输出的交流电信号转化为直流电信号，并将所述直流电信号输出给所述柔性固态超级电容器。其中，所述柔性摩擦纳米发电机和所述柔性固态超级电容器的数量分别至少为一个。进一步地，多个所述柔性摩擦纳米发电机并联，多个所述柔性固态超级电容器串联；其中，根据并联后所述多个柔性摩擦纳米发电机输出的电信号来确定串联的柔性固态超级电容器的数量，以使得所述柔性固态超级电容器输入的电信号与所述柔性摩擦纳米发电机输出的电信号相匹配。特别地，本专利技术提供了一种基于柔性电纺丝网状膜的可穿戴电子设备，所述可穿戴电子设备从上述的自充电系统获得电量。本专利技术的方案，可以利用柔性电纺丝网状膜的制备方法制备出柔性摩擦纳米发电机、柔性固态超级电容器和自充电系统的组成成分，包括聚合物纤维网状膜和碳纤维网状膜。利用该方法制备出的这些组成成分含杂质少、稳定无污染，且在制备柔性摩擦纳米发电机、柔性固态超级电容器和组装自充电系统的过程无需任何模板和复杂的后处理步骤。本专利技术的柔性摩擦纳米发电机可用于收集各种机械能，并将该机械能转化为电能。该柔性摩擦纳米发电机的工作状态可弯曲和伸直，其柔性特性拓展了应用领域，可作为自充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性电纺丝网状膜的制备方法，其中，包括如下步骤：将预定量的非导电聚合物分散到溶剂中，以获得质量浓度为8‑15％的聚合物溶液；将所述聚合物溶液加入到带有喷射口的容器中，利用注射泵控制注射速度为0.6‑1.2mL/h，并在喷射口和接地接收端之间加12‑18kV的电压，以使得所述聚合物溶液在电压静电作用下从所述喷射口喷出而得到拉伸，并伴随着所述溶剂的挥发而固化，以在所述接地接收端形成纤维网状膜；将所述纤维网状膜在空气气氛中进行预氧化处理，以获得聚合物纤维网状膜；和将所述聚合物纤维网状膜在惰性气氛中进行高温碳化处理，以获得碳纤维网状膜。

【技术特征摘要】
1.一种柔性电纺丝网状膜的制备方法，其中，包括如下步骤：将预定量的非导电聚合物分散到溶剂中，以获得质量浓度为8-15％的聚合物溶液；将所述聚合物溶液加入到带有喷射口的容器中，利用注射泵控制注射速度为0.6-1.2mL/h，并在喷射口和接地接收端之间加12-18kV的电压，以使得所述聚合物溶液在电压静电作用下从所述喷射口喷出而得到拉伸，并伴随着所述溶剂的挥发而固化，以在所述接地接收端形成纤维网状膜；将所述纤维网状膜在空气气氛中进行预氧化处理，以获得聚合物纤维网状膜；和将所述聚合物纤维网状膜在惰性气氛中进行高温碳化处理，以获得碳纤维网状膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述喷射口和所述接地接收端之间的距离为10-20cm；其中，所述纤维网状膜在空气气氛中进行预氧化处理的处理温度为200-280℃；其中，所述聚合物纤维网状膜在惰性气氛中进行高温碳化处理的处理温度为600-900℃。3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述非导电聚合物选自聚丙烯腈、聚乙烯吡络烷酮、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚双苯酚碳酸酯和聚氯乙烯中的一种或多种的组合。4.一种基于柔性电纺丝网状膜的柔性摩擦纳米发电机，其中，包括：第一碳纤维网状膜层，其由权利要求1-3中任一项所述的制备方法获得的碳纤维网状膜形成；第一聚合物纤维网状膜层，其由权利要求1-3中任一项所述的制备方法获得的聚合物纤维网状膜形成，所述第一聚合物纤维网状膜层的上表面与所述第一碳纤维网状膜层的下表面相对设置或者所述第一聚合物纤维网状膜层的下表面与所述第一碳纤维网状膜层的上表面相对设置；和形成在所述第一聚合物纤维网状膜层的上表面或者下表面的导电层；其中，所述第一碳纤维网状膜层和所述第一聚合物纤维网状膜层构造成在所述摩擦纳米发电机受到外力作用时会发生相对位移，并通过所述第一碳纤维网状膜层和所述导电层向外电路输出电信号。5.根据权利要求4所述的柔性摩擦纳米发...

【专利技术属性】
技术研发人员：文震，孙旭辉，孙娜，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32