E-TPU复合材料单电极摩擦纳米发电机及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种E‑TPU复合材料单电极摩擦纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：1)取TPU、通用工程塑料、导电填料，混合、搅拌均匀，加入挤出机中进行熔融混炼塑化，混炼过程的温度高于TPU熔点5～50℃；2)塑化完成后通过水下造粒或者水下拉条造粒得到TPU/通用工程塑料/导电填料复合颗粒；3)将复合颗粒放入高压反应釜中，通入超临界流体，进行保压渗透、泄压、发泡，得到复合泡沫颗粒，即得。还公开了采用该制备方法制得的单电极摩擦纳米发电机。制得的摩擦纳米发电机，由E‑TPU和通用工程塑料组成正、负极摩擦材料，二者摩擦引起导电网络与地面之间的电子流动，产生电压，每个泡孔是一个小的摩擦纳米发电机单元。

【技术实现步骤摘要】
E-TPU复合材料单电极摩擦纳米发电机及其制备方法
本专利技术涉及纳米新材料、新能源
，具体涉及一种E-TPU复合材料单电极摩擦纳米发电机及其制备方法。
技术介绍
为缓解快速增长的能源需求、减少化石能源造成的环境污染，2012年，美国佐治亚理工学院、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林教授利用摩擦起电和静电感应的耦合作用专利技术了一种能够将低频率的机械能转化为电能的装置——摩擦纳米发电机。它能将周围环境中各种低频率、无序的机械能转化为电能，如轮胎转动、风能、声波、水波、人体的心跳、脉搏、呼吸、运动等过程产生的机械能，具有清洁、可持续、成本低、尺寸小等优点。柔性可穿戴电子设备在触觉传感、运动检测、生物医学、健康监测器和可穿戴人机交互系统等领域具有广阔的应用前景，其迅猛的发展速度，对便携式、轻量化、绿色、可持续的电源提出了迫切的需求。目前设计摩擦纳米发电机的工艺比较复杂，成本较高，难以规模化应用。寻求简单、绿色环保、高效的方法制备结构可控、能量转化效率高和能够规模化应用的摩擦纳米发电机对满足便携式、轻量化的电能需求，对缓解能源危机和减少化石能源造成的环境污染具有重要的意义。设计多孔结构并提高内部填充气体的击穿电压是提升摩擦纳米发电机能量转化效率的有效方法。如，牺牲模板法、相转化法和静电纺丝技术。但是牺牲模板法比较耗时，静电纺丝效率比较低，而相转化法控制因素比较多，同时离不开有机溶剂的使用。再者，多孔泡沫中填充抗击穿电压气体难以控制和封装，这些因素均限制了摩擦纳米发电机的发展、应用和推广。与橡胶、环氧树脂和聚二甲基硅氧烷等相比，热塑性聚氨酯(TPU)具有耐磨、弹性优异、无需添加固化剂和交联剂、可以重复加工等优点。TPU由热力学不相容的硬段与软段组成，材料内部呈现微相分离的结构。这种结构特征能够很好地在材料受力时传递能量，使得TPU兼具橡胶的弹性和塑料的易加工性能。但是，目前鲜有将TPU应用到制作摩擦纳米发电机的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题，提供一种E-TPU复合材料单电极摩擦纳米发电机及其制备方法。本专利技术为了实现其目的，采用的技术方案是：一种E-TPU复合材料单电极摩擦纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：1)取TPU、通用工程塑料、导电填料，混合、搅拌均匀，加入挤出机中进行熔融混炼塑化，混炼过程的温度高于TPU熔点5～50℃；2)塑化完成后通过水下造粒或者水下拉条造粒得到TPU/通用工程塑料/导电填料复合颗粒；3)将TPU/通用工程塑料/导电填料复合颗粒放入高压反应釜中，通入超临界流体，进行保压渗透、泄压、发泡，得到E-TPU/通用工程塑料/导电填料复合泡沫颗粒，即得。所述步骤1)中，TPU、通用工程塑料、导电填料的质量比为70～98﹕1～20﹕1～15。所述通用工程塑料是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、尼龙(PA)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)中的一种。所述导电填料为炭黑(CB)、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(G)、碳纤维、胺基化或羧基化或羟基化的碳纳米管、胺基化或羧基化或羟基化的石墨烯中的一种或几种混合物。所述步骤1)中，将TPU、通用工程塑料、导电填料均匀混合，加入双螺杆挤出机中进行混炼，双螺杆挤出机的转子直径为100～150mm，转子转速为100～500r/min，双螺杆挤出机设置6个温度设定区，各温度设定区的温度范围为：第一区100～150℃；第二区110～160℃；第三区120～170℃；第四区130～180℃；第五区140～200℃；第六区150～220℃。所述步骤2)中，所述TPU/通用工程塑料/导电填料复合颗粒为椭球形或者柱状。所述TPU/通用工程塑料/导电填料复合颗粒为椭球形时粒径为2～10mm；所述TPU/通用工程塑料/导电填料复合颗粒为柱状时，颗粒横切面的直径为2～10mm，颗粒长度为2～10mm。所述步骤3)中，超临界流体为超临界CO2、N2或两者的混合气体。所述步骤3)中，在高压反应釜中，渗透压力10～20MPa，渗透时间0.5～5h，泄压速率10～20MPa/min，发泡蒸汽温度100～130℃，发泡时间1～10min。一种E-TPU复合材料单电极摩擦纳米发电机，由前述任一项所述的制备方法制备得到。本专利技术申请人在研究过程中，认为基于TPU的优异性能，其可作为制备摩擦纳米发电机优异的弹性材料，为了获得高效的TPU泡沫摩擦纳米发电，需要寻求容易吸收电子的负极摩擦材料，而PET、PA、UHMWPE、PTFE、PC这些通用工程塑料与TPU摩擦过程中容易失去电子，有望作为制备摩擦纳米发电机优异的负极材料。申请人在一系列研究基础上展开本申请研究。E-TPU是利用超临界流体将TPU发泡后的材料，俗称“爆米花”，泡沫内部具有大量的泡孔(泡孔密度：1～4×109个/cm3)，如何利用TPU泡沫内部有效比表面积来提高TPU与通用工程塑料的接触面积，充分利用泡沫内部残余的CO2、N2或二者的混合气体，提升抗击穿电压和回弹性能，增加摩擦电荷密度，提高摩擦纳米发电机的能量转化效率，实现E-TPU摩擦纳米发电机与人体运动紧密结合，制备循环可回收利用及规模化应用的摩擦纳米发电机具有重要的现实意义。本专利技术将TPU、通用工程塑料、导电填料混合后混炼，混炼过程的温度高于TPU熔点5～50℃，在熔融共混挤出过程中，通用工程塑料受到螺杆剪切作用在TPU基体中可以变形为高长径比的通用工程塑料纤维，导电填料会均匀分散在通用工程塑料纤维上。以碳纳米管为导电填料、通用工程塑料选用PTFE的加工过程材料变化原理示意图如图1所示。混炼后通过水下造粒或者水下拉条造粒，获得粒径大小为2-10mm的椭球形或者柱状的复合颗粒。将复合颗粒放入高压反应釜中，通入超临界流体，使其在不同的温度和压力下保压渗透，泄压后迅速放入发泡设备，加热发泡，制得复合泡沫颗粒，通过保压渗透的温度、压力、加热温度控制泡沫颗粒的发泡倍率、回弹性、承压强度、导电性能。制得的复合泡沫颗粒可作为TPU单电极模式摩擦纳米发电机，由E-TPU和通用工程塑料组成正、负极摩擦材料，每个泡孔是一个小的摩擦纳米发电机单元。同时，导电填料提供一个导电网络，在机械力作用下，暴露在泡孔内壁的通用工程塑料纤维与E-TPU之间产生摩擦，二者之间带电和形变会引起导电网络与地面之间的电子流动，产生电压。图2展示了以碳纳米管(CNTs)为导电填料、通用工程塑料选用PTFE制得的泡沫颗粒的单个泡孔摩擦纳米发电机工作原理。本专利技术的有益效果是：1)通过熔融共混结合水下造粒制备成所需要尺寸的TPU/原位纤维化的通用工程塑料/导电复合颗粒，借助超临界CO2/N2发泡技术，通过工艺的优化获得高性能的发泡颗粒。整个工艺绿色、环保、高效、安全、简单、可行，制品可以循环利用，易于大规模制备。2)借助TPU泡沫内部大量的微孔，将容易得失电子的E-TPU与通用工程塑料纤维组成正、负摩擦电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种E-TPU复合材料单电极摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)取TPU、通用工程塑料、导电填料，混合、搅拌均匀，加入挤出机中进行熔融混炼塑化，混炼过程的温度高于TPU熔点5～50℃；/n2)塑化完成后通过水下造粒或者水下拉条造粒得到TPU/通用工程塑料/导电填料复合颗粒；/n3)将TPU/通用工程塑料/导电填料复合颗粒放入高压反应釜中，通入超临界流体，进行保压渗透、泄压、发泡，得到E-TPU/通用工程塑料/导电填料复合泡沫颗粒，即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种E-TPU复合材料单电极摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)取TPU、通用工程塑料、导电填料，混合、搅拌均匀，加入挤出机中进行熔融混炼塑化，混炼过程的温度高于TPU熔点5～50℃；
2)塑化完成后通过水下造粒或者水下拉条造粒得到TPU/通用工程塑料/导电填料复合颗粒；
3)将TPU/通用工程塑料/导电填料复合颗粒放入高压反应釜中，通入超临界流体，进行保压渗透、泄压、发泡，得到E-TPU/通用工程塑料/导电填料复合泡沫颗粒，即得。


2.如权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，TPU、通用工程塑料、导电填料的质量比为70～98﹕1～20﹕1～15。


3.如权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，所述通用工程塑料是聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯中的一种。


4.如权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，所述导电填料为炭黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、胺基化或羧基化或羟基化的碳纳米管、胺基化或羧基化或羟基化的石墨烯中的一种或几种混合物。


5.如权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，将TPU、通用工程塑料、导电填料均匀混合，加入双螺杆挤出机中进行混炼，双螺杆挤出...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭林立，刘嵩，邱达，陈世强，向长城，周丙涛，
申请(专利权)人：湖北民族大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42