一种基于植物蛋白的摩擦发电机及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于植物蛋白的摩擦发电机及其制备方法。摩擦发电机包括摩擦电负层和蛋白膜，蛋白膜与摩擦电负层面对面堆叠，各自的背表面粘附或镀上电极，或者仅蛋白膜背表面或电负层背表面设置接地的电极；将蛋白质粉末溶于水或者乙醇水溶液中，然后添加增塑剂，经过热处理使得蛋白质变性，得到成膜所需的更延伸的结构；最后蒸发溶剂干燥得到质地均匀，具有透明度和柔性好的蛋白膜。本发明专利技术创新性地利用植物蛋白作为摩擦电材料，利用摩擦纳米发电机作为生物可降解的地膜，为农业创造了空间电场促进系统，并进一步用于农作物的生长作用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于植物蛋白的摩擦发电机及其制备方法
本专利技术涉及了一种摩擦纳米发电机，尤其是涉及一种基于植物蛋白的摩擦纳米发电机及其制备方法。
技术介绍
随着柔性和便携式电子产品的快速发展，能够有效地将各种形式的机械能转换为电能的摩擦纳米发电机将被用作未来世界能源供应的主流。目前为止，摩擦纳米发电机的大多数研究工作都在强调结构设计或材料创新。目前在摩擦纳米发电机中广泛使用的材料包括聚酰胺(尼龙)-11和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。值得注意的是这些材料并不能完全降解并且易于释放危险的化学物质，随着电子产品的快速升级将成为电子废物，这无疑给环境带来了巨大的负担。因此，用生物可降解和无毒材料制造的柔性装置受到越来越多的关注。近年来，多种生物材料如淀粉，壳聚糖，蚕丝纳米纤维，明胶和细菌纳米纤维素制备的摩擦发电机被广泛应用于植入式设备，医疗保健和环境监测等领域中。然而，繁琐的加工步骤将使其难以实际应用。迄今为止，关于植物蛋白在摩擦纳米发电机中的应用还是一片空白，其摩擦起电性质及机理也有待探究。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题和填补空白，本专利技术的目的在于将植物蛋白作为一种新的摩擦电材料引入摩擦发电机领域中，并且创新地将基于植物蛋白的摩擦发电机作为生物可降解地膜应用于空间电场促生系统中。这种摩擦纳米发电机可用于收集环境中的机械能，并且可以作为生物可降解地膜用于空间电场促生系统。本专利技术的技术方案：一、一种基于植物蛋白的摩擦发电机：所述的摩擦发电机包括摩擦电负层和植物蛋白膜，以植物蛋白膜作为摩擦给电子层，植物蛋白膜与摩擦电负层面对面堆叠，各自的背表面粘附或镀上电极，或者仅蛋白膜背表面或摩擦电负层背表面设置接地的电极。本专利技术首次提出将植物蛋白膜用于摩擦发电的应用，并且也首次提出将这种带有植物蛋白膜的摩擦发电机用于作用生物组织的生长。所述的蛋白膜采用以下方式制备而成：将难溶解的蛋白质粉末溶于水(溶于水时通过调节pH远离等电点使蛋白质分散均匀)或者乙醇水溶液中，然后添加增塑剂(这样能减少蛋白质分子之间的相互作用使得膜拉伸性能提高，柔性增强，不易干裂)，经过超过玻璃化转变温度的热处理使得蛋白质变性，得到成膜所需的更延伸的结构，蛋白质链在此过程中通过形成氢键、离子键、共价键以及疏水作用增强蛋白质膜的网络结构强度，其中包括促进巯基氧化成二硫键来增强蛋白质膜的网络强度；最后蒸发溶剂干燥得到质地均匀，具有透明度和柔性好的蛋白膜。所述的摩擦电负层采用聚四氟乙烯(Teflon)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰亚胺(Kapton)、硅橡胶(Ecoflex)、聚乳酸(PLA)等，均可作为摩擦发电机的摩擦电负层材料。二、一种基于植物蛋白的摩擦发电机的制备方法：首先是摩擦给电子层——蛋白膜的制备：将难溶解的蛋白质粉末溶于水(溶于水时通过调节pH远离等电点使蛋白质分散均匀)或者乙醇水溶液中，然后添加增塑剂(这样能减少蛋白质分子之间的相互作用使得膜拉伸性能提高，柔性增强，不易干裂)，经过超过玻璃化转变温度的热处理使得蛋白质变性，得到成膜所需的更延伸的结构，蛋白质链在此过程中通过形成氢键、离子键、共价键以及疏水作用增强蛋白质膜的网络结构强度，其中包括促进巯基氧化成二硫键来增强蛋白质膜的网络强度；最后蒸发溶剂干燥得到质地均匀，具有透明度和柔性好的蛋白膜；将蛋白膜与摩擦电负层面对面堆叠，各自的背表面粘附或镀上电极或者仅蛋白膜背表面或摩擦电负层背表面设置接地的电极。所述的蛋白质粉末为大米蛋白、花生分离蛋白、大豆分离蛋白、小麦谷蛋白、玉米醇溶蛋白的粉末。所述的增塑剂为多元醇(甘油、丙二醇、乙二醇、山梨醇、聚乙二醇等)。所述的摩擦电负层采用聚四氟乙烯(Teflon)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰亚胺(Kapton)、硅橡胶(Ecoflex)、聚乳酸(PLA)等，均可作为摩擦发电机的摩擦电负层材料。所述的步骤1)具体为：将蛋白质分散在水溶液或者浓度为70％-90％的乙醇水溶液中(蛋白质的质量分数为1-10％，w/w)中制备成蛋白溶液；然后在蛋白溶液中加入质量为蛋白质10-60％(w/w)的增塑剂(如甘油)，经过60-95℃水浴加热变性进行搅拌30-60min后，在真空下脱气10分钟，之后倒入模具中放入烘箱在30-70℃条件下蒸发干燥。所述的摩擦电负层采用聚四氟乙烯(Teflon)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰亚胺(Kapton)、硅橡胶(Ecoflex)、聚乳酸(PLA)等，均可作为摩擦发电机的摩擦电负层材料。所述的蛋白质为大米蛋白、花生分离蛋白、大豆分离蛋白和小麦谷蛋白，具体是将蛋白质与甘油在去离子水溶液中混合，在磁力搅拌后，然后还使用1M氢氧化钠溶液调节蛋白质前体溶液pH，将蛋白质溶液pH值调节到12；再将蛋白质溶液在65℃下加热搅拌30分钟，在真空下脱气过程10分钟以除去气泡。所述的蛋白质为玉米醇溶蛋白，具体是将玉米醇溶蛋白与甘油在质量浓度为70％的乙醇水溶液中溶解之后，直接将蛋白质溶液在65℃下加热搅拌30分钟，然后在真空下脱气过程10分钟。本专利技术的摩擦发电机用于农作物的生长应用，对农作物的生长具有促进作用。将摩擦发电机置于土壤上，蛋白膜在接触土壤的一侧，并对该摩擦发电机施加力使得摩擦电负层和蛋白膜之间发生接近、离开或者相对滑移，即施加了机械能，进而对农作物产生了生长促进的电场。如图4所示，本专利技术的摩擦发电机可以有四种工作模式，垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式。垂直接触-分离模式：在这个结构中，蛋白膜与摩擦电负层面对面堆叠，它们各自的背面粘附或镀有电极。摩擦电负层与蛋白膜相互接触，会在两个接触表面形成符号相反的表面电荷。当这两个表面由于外力作用而发生分离时，中间会形成一个小的空气间隙，并在两个电极之间形成感应电势差。当两个电极通过负载连接在一起，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，形成一个反向的电势差来平衡静电场。当摩擦电负层和蛋白膜中间的空气间隙闭合时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流。这样不断循环，随时间变化的电场将驱动电子在蛋白膜背面的电极和摩擦电负层背面的电极来回流动，从而产生交流电。水平滑动模式：这种模式初始的结构垂直接触-分离模式的相同，也是蛋白膜与摩擦电负层面对面堆叠，它们各自的背面粘附或镀有电极，且两电极之间通过外电路相互连接。当蛋白膜与摩擦电负层接触时，两种材料之间会发生沿着与表面平行的水平方向的相对滑移，这样也可以在两个表面上产生摩擦电荷。这样，在水平方向就会形成极化，可以驱动电子在蛋白膜背面的电极和摩擦电负层背面的电极之间流动，以平衡摩擦电荷产生的静电场。通过周期性的滑动分离和闭合可以产生一个交流输出。这就是滑动式摩擦纳米发电机的基本原理，并且这种滑动可以以多种形式存在，包括平面滑动、圆柱滑动你和圆盘滑动等。单电极工作模式：将上述的蛋白膜和摩擦电负层组合在一起，并且在蛋白膜的背表面或者摩擦电负层背表面再布置一层电极，且电极接地，这样就构成了摩擦发电机。当上部的摩擦电负层接近或者离开下部的蛋白膜时，或者上部的摩擦电负层相对下部的蛋白膜摩擦移动时，局部的电场分布将会改变，这样下电极和大地之间会发生电子交换，以平衡电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于植物蛋白的摩擦发电机，其特征在于：所述的摩擦发电机包括摩擦电负层和蛋白膜，蛋白膜与摩擦电负层面对面堆叠，各自的背表面粘附或镀上电极，或者仅蛋白膜背表面或电负层背表面设置接地的电极。

【技术特征摘要】
1.一种基于植物蛋白的摩擦发电机，其特征在于：所述的摩擦发电机包括摩擦电负层和蛋白膜，蛋白膜与摩擦电负层面对面堆叠，各自的背表面粘附或镀上电极，或者仅蛋白膜背表面或电负层背表面设置接地的电极。2.根据权利要求1所述的一种基于植物蛋白的摩擦发电机，其特征在于：所述的摩擦电负层采用聚四氟乙烯(Teflon)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰亚胺(Kapton)、硅橡胶(Ecoflex)、聚乳酸(PLA)等。3.一种基于植物蛋白的摩擦发电机的制备方法，其特征在于：首先是摩擦给电子层——蛋白膜的制备：将蛋白质粉末溶于水或者乙醇水溶液中，然后添加增塑剂，经过热处理使得蛋白质变性，得到成膜所需的更延伸的结构；最后蒸发溶剂干燥得到质地均匀，具有透明度和柔性好的蛋白膜；将蛋白膜与摩擦电负层面对面堆叠，各自的背表面粘附或镀上电极或者仅蛋白膜背表面或电负层背表面设置接地的电极。4.根据权利要求3所述的一种基于植物蛋白的摩擦发电机的制备方法，其特征在于：所述的蛋白质粉末为大米蛋白、花生分离蛋白、大豆分离蛋白、小麦谷蛋白、玉米醇溶蛋白的粉末。5.根据权利要求3所述的一种基于植物蛋白的摩擦发电机的制备方法，其特征在于：所述的增塑剂为多元醇(甘油、丙二醇、乙二醇、山梨醇、聚乙二醇等)。6.根据权利要求3所述的一种基于植物蛋白的摩擦发电机的制备方法，其特征在于：所述的摩擦电负层采用聚四氟乙烯(Teflon)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰亚胺(Kapton)、硅橡...

【专利技术属性】
技术研发人员：平建峰，姜成美，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33