摩擦纳米发电机的负性摩擦材料的制备方法
阅读说明：本技术 摩擦纳米发电机的负性摩擦材料的制备方法 (Preparation method of negative friction material of friction nano generator ) 是由 阙妙玲 孙云飞 陈丽香 孙佳惟 吴靖 刘传洋 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供摩擦纳米发电机的负性摩擦材料的制备方法,用于制备如用于摩擦纳米发电机的负性摩擦材料；方法包括：改性硅胶作为聚合物基底填充改性钛酸钡纳米线,将制备的混合物涂于导电布上,真空、固化制得复合纳米薄膜作为摩擦材料；其中,改性硅胶、改性钛酸钡纳米线的重量份为：改性硅胶100重量份；改性钛酸钡纳米线5-30重量份。本发明在改性硅胶中填充改性钛酸钡纳米线,可使得负性摩擦材料的介电性能及拉伸性能同时得到提高；同时对钛酸钡纳米线进行改性处理,避免因钛酸钡的高介电常数性能导致的复合材料的电场分布不均匀。(The invention provides a preparation method of a negative friction material of a friction nano generator, which is used for preparing the negative friction material used for the friction nano generator; the method comprises the following steps: filling modified barium titanate nanowires by using modified silica gel as a polymer substrate, coating the prepared mixture on conductive cloth, and performing vacuum curing to obtain a composite nano film serving as a friction material; the modified silica gel and the modified barium titanate nanowire are prepared from the following components in parts by weight: 100 parts of modified silica gel; 5-30 parts of modified barium titanate nanowire. According to the invention, the modified barium titanate nanowires are filled in the modified silica gel, so that the dielectric property and tensile property of the negative friction material can be improved simultaneously; meanwhile, the barium titanate nanowire is subjected to modification treatment, so that the phenomenon that the electric field distribution of the composite material is uneven due to the high dielectric constant performance of barium titanate is avoided.)
技术领域
本发明涉及材料制备领域，具体涉及摩擦纳米发电机的负性摩擦材料的制备方法。
背景技术
摩擦分离式的摩擦纳米发电机通常采用两个不同的介电材料作为摩擦接触面，背部制备电极，当两种介电质材料由于外力相互接触，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷。
因此，摩擦纳米发电机作为发电机的一种，其介电性能是考量发电机性能的重要指标。
现有技术中的摩擦纳米发电机的拉伸、扭转效果不佳，因此很难直接和可穿戴器件相匹配。以及介电性能不佳，很难作为电子器件的持续供电来源。其主要原因在于，材料的组成及制造方法造成的性能差异。
若单纯的对摩擦层表面进行结构化处理，导致摩擦层在工作时容易被磨损，因此，急需一种新的制备方法制备一种负性摩擦材料，作为摩擦纳米发电机的摩擦材料来源。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供摩擦纳米发电机的负性摩擦材料的制备方法。
本发明的技术方案概述如下：
本发明提供摩擦纳米发电机的负性摩擦材料的制备方法，用于制备如用于摩擦纳米发电机的负性摩擦材料；方法包括：
改性硅胶作为聚合物基底填充改性钛酸钡纳米线，将制备的混合物涂于导电布上，真空、固化制得复合纳米薄膜作为摩擦材料；
其中，改性硅胶、改性钛酸钡纳米线的重量份为：
改性硅胶 100重量份；
改性钛酸钡纳米线 5-30重量份。
进一步地，所述改性硅胶的制备方法包括：在硅胶中加入发泡微球颗粒，形成发泡微球-硅胶混合物；
其中，硅胶、发泡颗粒的质量份为：
硅胶 100重量份；
发泡微球颗粒 3-20重量份。
进一步地，所述改性硅胶的制备方法包括：
在硅胶中加入发泡微球颗粒Y-180D，形成发泡微球-硅胶混合物，搅拌后加入固化剂；
其中，硅胶、发泡颗粒、固化剂；三者的质量份为：
硅胶 100重量份；
发泡颗粒 3-20重量份；
固化剂 1-3重量份。
进一步地，所述改性硅胶的制备方法还包括：在所述发泡微球-硅胶混合物中注入负离子，负离子包括CO3-,NO3-,O3-,O2-中的至少之一。
进一步地，所述改性钛酸钡纳米线的制备方法包括：
制备钛酸钡纳米线；
对钛酸钡纳米线进行表面修饰；
将异硫氰酸酯接枝在钛酸钡纳米线表面，加入4,4’-二氨基二苯甲烷， 4,4’-二氨基二苯甲烷会与未反应的异硫氰酸酯发生原位聚合反应生成聚硫脲，将聚硫脲包覆在改性后的钛酸钡纳米线外表面，之后干燥。
进一步地，所述改性钛酸钡纳米线包括：
钛酸钡纳米线 10重量份；
异硫氰酸酯 20-100重量份；
4,4’-二氨基二苯甲烷 800-2000重量份。
进一步地，所述对钛酸钡纳米线进行表面修饰，包括采用多巴胺进行表面修饰。
进一步地，所述对钛酸钡纳米线进行表面修饰，包括：每10g/ml的多巴胺溶液中溶入3g的钛酸钡纳米线；50℃下搅拌20h。
进一步地，所述钛酸钡纳米线的制备方法，包括：
将去离子H2O和乙醇以3:1的比例混合，将氢氧化钾溶解于溶液中，形成混合溶液A；
把聚乙二醇溶解于14ml乙醇中，加入10ml配置的摩尔浓度为1M的钛酸酯乙醇溶液，制成溶液B；
将溶液A和B混合后加入1mmolBa(OH)2·8H2O，将总溶液放入50ml水热釜中，将水热釜加热至150-200摄氏度，反应12小时，冷却至常温后，通过去离子水洗涤后，烘干。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种制备负性摩擦材料的方法，在改性硅胶中填充改性钛酸钡纳米线，可使得负性摩擦材料的介电性能及拉伸性能同时得到提高；同时对钛酸钡纳米线进行改性处理，避免因钛酸钡的高介电常数性能导致的复合材料的电场分布不均匀。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的
具体实施方式
由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中不同质量下的制备的改性钛酸钡纳米线与电场击穿强度的关系示意图；
图2为本发明中不同质量下的制备的改性钛酸钡纳米线与介电常数的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
接下来，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明的一种摩擦纳米发电机的负性摩擦材料的制备方法，其特征在于，用于制备如用于摩擦纳米发电机的负性摩擦材料；方法包括：
改性硅胶作为聚合物基底填充改性钛酸钡纳米线，将制备的混合物涂于导电布上，真空、固化制得复合纳米薄膜作为摩擦材料；
其中，改性硅胶、改性钛酸钡纳米线的重量份为：
改性硅胶 100重量份；
改性钛酸钡纳米线 5-30重量份。
其中，上述质量份形成改性钛酸钡纳米线的拉伸率可达到100-180％，硅胶成本低，不受湿度影响，化学稳定性强，而改性后的硅胶保留了原硅胶的性能。经试验后，发现更易作为人体接触穿戴使用。
通过硅胶偶联剂对改性钛酸钡纳米线预处理，硅胶作为聚合物基底填充高介电常数的改性钛酸钡纳米线，将制备的混合物涂于导电布上电极，真空、固化后制备所得到的的复合纳米硅胶薄膜作为摩擦负性材料。
在试验过程中发现，钛酸钡纳米线的质量分数增大提高介电性能，但是过大的质量分数将导致复合纳米聚合物薄膜与导电布的接触面积减小，降低输出性能。经多次试验发现改性硅胶与改性钛酸钡纳米线的重量比例为10:1 时，输出性能最佳。
参考表1不同实施例下的改性硅胶、改性钛酸钡纳米线的质量分数与输出电流的对比数据。在表1中，统一在相同硅胶中加入不同质量分数的钛酸钡纳米线，在不同的频率下测到不同质量分数下的输出电流。
表1不同实施例下的质量分数与输出电流的关系
改性硅胶的制备方法包括：在硅胶中加入发泡微球颗粒，形成发泡微球- 硅胶混合物；
其中，硅胶、发泡颗粒的质量份为：
硅胶 100重量份；
发泡微球颗粒 3-20重量份。
或改性硅胶的制备方法包括：
在硅胶中加入发泡微球颗粒Y-180D，形成发泡微球-硅胶混合物，搅拌后加入固化剂；
其中，硅胶、发泡颗粒、固化剂；三者的质量份为：
硅胶 100重量份；
发泡颗粒 3-20重量份；
固化剂 1-3重量份。
改性硅胶的制备方法还包括：在所述发泡微球-硅胶混合物中注入有负离子，所述负离子包括CO3-,NO3-,O3-,O2-中的至少之一。具体地，采用空气离子枪对负极材料表面注入负离子。
经试验发现，孔穴结构减小电介质材料有效厚度。在硅胶中加入发泡微球颗粒Y-180D，形成发泡微球-硅胶混合物，搅拌后加入固化剂。其中，硅胶与固化剂的质量比为100:2；制备成膜后的介电质性能最好。
参考表2的发泡微球的重量份与输出电流的关系，在表2中，统一在硅胶中相同量的钛酸钡纳米线之后，加入不同重量份的发泡微球颗粒，测得到输出电流的对比数据。
见表2，经大量试验发现，硅胶：发泡微球颗粒为100:9时，输出电流达到最大。
表2不同实施例下的重量份与输出电流的关系
虽然大量实验证明，硫酸钡纳米线可以提高介电性能。但本发明还发现钛酸钡虽然具有较高的介电常数。若直接将高介电常数的钛酸钡直接加入到硅胶中，由于较大的电气失配，导致整个复合材料的电场分布不均匀，复合膜击穿强度大幅度降低。
因此，本发明通过一种原位聚合的方法，改善界面相容性，得到一种改性钛酸钡纳米线。
上述复合硅胶膜中的钛酸钡纳米线为改性钛酸钡纳米线。改性钛酸钡纳米线包括钛酸钡纳米线、异硫氰酸酯、4,4’-二氨基二苯甲烷。
具体地，改性钛酸钡纳米线的方法包括：
S1、制备钛酸钡纳米线；
传统的钛酸钡的制备由二氧化钛和钛酸钡制备混合、压滤、干燥。但是传统方法的纯度不够，形貌不规整。
本发明中的钛酸钡纳米线的制备包括：将去离子H2O和乙醇以3:1的比例混合，将氢氧化钾(KOH)溶解于溶液中，形成混合溶液A。把聚乙二醇溶解于14ml乙醇中，加入10ml配置的摩尔浓度为1M的钛酸酯(TBOT)-乙醇溶液，制成溶液B。将溶液A和B混合后加入1mmolBa(OH)2·8H2O(八水合氢氧化钡)，将总溶液放入50ml水热釜中，将水热釜加热至150-200摄氏度，反应12小时，冷却至常温后，通过去离子水洗涤后，烘干。
S2、对钛酸钡纳米线进行表面修饰；具体采用多巴胺溶液进行表面修饰；优选地，每10g/ml的多巴胺溶液中溶入3g的钛酸钡纳米线；50℃下搅拌20h。
S3、将异硫氰酸酯接枝在钛酸钡纳米线表面，加入4,4’-二氨基二苯甲烷，4,4’-二氨基二苯甲烷会与未反应的异硫氰酸酯发生原位聚合反应生成聚硫脲，将聚硫脲包覆在改性后的钛酸钡纳米线外表面。将上述混合液成膜，干燥得基于改性钛酸钡纳米线原位聚合高介电薄膜。
具体地，改性钛酸钡纳米线包括：
钛酸钡纳米线 10重量份；
异硫氰酸酯 20-100重量份；
4,4’-二氨基二苯甲烷 800-2000重量份。
异硫氰酸酯的质量为钛酸钡纳米线的2-10倍，；4,4’-二氨基二苯甲烷的质量为钛酸钡纳米线的80-200倍。
优选地，上述过程中先将异硫氰酸酯接枝在钛酸钡纳米线表面，之后至少分25次加入4,4’-二氨基二苯甲烷，以使后加入的4,4’-二氨基二苯甲烷通入二者的反应产物中，加入的4,4’-二氨基二苯甲烷会与未反应的-N＝ C＝S发生原位聚合反应生成聚硫脲，以将聚硫脲包覆在改性后的钛酸钡纳米线外表面。将上述混合液成膜，干燥得基于改性钛酸钡纳米线原位聚合高介电薄膜。
参考图1和图2，表征不同质量下的制备的改性钛酸钡纳米线与电场击穿强度及介电常数的关系。
其中，实施例一，异硫氰酸酯的质量为钛酸钡纳米线的2倍；4,4’-二氨基二苯甲烷的质量为钛酸钡纳米线的80倍，具体的，钛酸钡纳米线0.1g，异硫氰酸酯0.2g,4’-二氨基二苯甲烷8g。
实施例二，异硫氰酸酯的质量为钛酸钡纳米线的4倍；4,4’-二氨基二苯甲烷的质量为钛酸钡纳米线的110倍，具体的，钛酸钡纳米线0.1g，异硫氰酸酯0.4g,4,4’-二氨基二苯甲烷11g。
实施例三，异硫氰酸酯的质量为钛酸钡纳米线的6倍；4’-二氨基二苯甲烷的质量为钛酸钡纳米线的140倍，具体的，钛酸钡纳米线0.1g，异硫氰酸酯0.6g,4,4’-二氨基二苯甲烷14g。
实施例四，异硫氰酸酯的质量为钛酸钡纳米线的8倍；4’-二氨基二苯甲烷的质量为钛酸钡纳米线的170倍，具体的，钛酸钡纳米线0.1g，异硫氰酸酯0.8g,4,4’-二氨基二苯甲烷17g。
实施例五，异硫氰酸酯的质量为钛酸钡纳米线的10倍，；4’-二氨基二苯甲烷的质量为钛酸钡纳米线的200倍，具体的，钛酸钡纳米线0.1g，异硫氰酸酯1g,4,4’-二氨基二苯甲烷20g。
对比例，钛酸钡纳米线0.1g。具体地，不同实施例下的击穿强度和介电常数参考图1和图2。从图中可以看出，改性后的钛酸钡纳米线介电常数有所提高，击穿强度整体提高。但并非是异硫氰酸酯的质量越多越好，随着异硫氰酸酯的质量的增多介电常数逐渐增加，击穿强度有所下降。但击穿强度整体比未改性前的钛酸钡纳米线有所提高。
本发明提供的一种制备负性摩擦材料的方法，在改性硅胶中填充改性钛酸钡纳米线，可使得负性摩擦材料的介电性能及拉伸性能同时得到提高；同时对钛酸钡纳米线进行改性处理，避免因钛酸钡的高介电常数性能导致的复合材料的电场分布不均匀。
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。