一种微胶囊驻极体自发电装置及其制备与应用
阅读说明：本技术 一种微胶囊驻极体自发电装置及其制备与应用 (Microcapsule electret self-generating device and preparation and application thereof ) 是由 郑旭 周慎杰 陈玲玲 阳生有 于泽泳 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明属于驻极体传感器领域,涉及一种微胶囊驻极体自发电装置及其制备与应用,包括：将导电层附着在PTFE膜；将PDMS基料与固化剂混合均匀,再加入PTFE纳米颗粒和带电荷微胶囊材料,形成未固化的微胶囊/PTFE/PDMS复合材料；将未固化的微胶囊/PTFE/PDMS复合材料涂覆在PTFE膜表面,固化,得到装置上半部分；制备具有图案的模板,并在模板上涂覆脱模剂；将未固化的PDMS预聚物注入模板,固化、脱模,得到具有图案的PDMS薄膜；在PDMS薄膜表面依次负载AgNWs涂层、金属银薄膜,形成下电极；将装置上半部分、下电极、底部微结构进行组合,在导电织物与下电极之间连接导线,即得。制备的柔性微胶囊驻极体自发电装置内部外加电荷稳定且均匀、电荷储存空间封闭性更好、发电效率更高。(The invention belongs to the field of electret sensors, and relates to a microcapsule electret self-generating device and preparation and application thereof, wherein the microcapsule electret self-generating device comprises the following components: attaching a conductive layer to the PTFE membrane; uniformly mixing the PDMS base material and a curing agent, and then adding PTFE nano particles and a charged microcapsule material to form an uncured microcapsule/PTFE/PDMS composite material; coating an uncured microcapsule/PTFE/PDMS composite material on the surface of a PTFE membrane, and curing to obtain the upper half part of the device; preparing a template with a pattern, and coating a release agent on the template; injecting uncured PDMS prepolymer into a template, curing and demolding to obtain a PDMS film with a pattern; sequentially loading an AgNWs coating and a metal silver film on the surface of the PDMS film to form a lower electrode; and combining the upper half part, the lower electrode and the bottom microstructure of the device, and connecting a lead between the conductive fabric and the lower electrode to obtain the conductive fabric. The prepared flexible microcapsule electret self-generating device has the advantages of stable and uniform external charges inside, better closure of a charge storage space and higher generating efficiency.)
技术领域
本发明属于驻极体传感器领域，具体涉及一种微胶囊驻极体自发电装置的制备。
背景技术
公开该
背景技术
部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。随着柔性可穿戴电子设备的发展，许多新兴的应用已经引起了广泛的关注。然而，由于其便携性，这类设备的能源供应已成为一个主要问题。近年来，将能源从环境中转换出来的能源收集技术引起了越来越多的关注，因为它们可以补充小型电子产品的电力，这可能使长期甚至可持续运行。
静电式柔性驻极体由于其内置附加电荷，在驻极体受到外荷载产生变形时表面会产生电荷的流动，具有发电效应。现有驻极体发电装置为无图案的简单复合材料，灵敏度低，在外荷载作用下产生电量很小，不足以支撑小型电子产品使用过程中所需的电力，限制了其在工业的广泛应用。
其次，驻极体压电传感器主要利用的是驻极体的静电效应，因此需要在制备器件前对驻极体进行极化处理，对其内部进行超高压充电过程。但是，这一充电过程容易造成材料损伤，电荷容易聚集于材料表面或近表面，使驻极体空间电荷出现分布不均的现象，且随着使用时间的增加，容易造成电荷的流失。
现有驻极体示意图如图1、图2所示：
1、直接在聚合物内部通过高压充电，使其内部具有附加电荷。
2、在聚合物内部制备用于储存电荷的图案，然后再通过高压充电，使其内部具有附加电荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内部外加电荷稳定且均匀、电荷储存空间封闭性更好、发电效率更高的柔性微胶囊驻极体自发电装置的制备方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种微胶囊驻极体自发电装置的制备方法，包括：
将导电层附着在PTFE膜；
将PDMS基料与固化剂混合均匀，再加入PTFE纳米颗粒和带电荷微胶囊材料，形成未固化的微胶囊/PTFE/PDMS复合材料；
将未固化的微胶囊/PTFE/PDMS复合材料涂覆在PTFE膜表面，固化，得到装置上半部分；
制备具有图案的模板，并在模板上涂覆脱模剂；
将未固化的PDMS预聚物注入模板，固化、脱模，得到具有图案的PDMS薄膜；
在PDMS薄膜表面依次负载AgNWs涂层、金属银薄膜，形成下电极；
将装置上半部分、下电极、底部微结构进行组合，在导电织物与下电极之间连接导线，得到微胶囊驻极体自发电装置。
针对背景技术中第二种驻极体，本发明的方案，使用微胶囊代替了聚合物内部电荷储存空间的制备，相比于这种技术，微胶囊所形成的空间更稳定，空间更大，内部附加电荷更稳定，但是在背景部分没有提及。
本发明的第二个方面，提供了任一上述的方法制备的微胶囊驻极体自发电装置。
本发明的第三个方面，提供了一种微胶囊驻极体自发电装置，包括：上电极、PTFE层、微胶囊/PTFE/PDMS复合层、下电极、底部微结构；
所述上电极、PTFE层、微胶囊/PTFE/PDMS复合层、下电极、底部微结构由上到下依次设置，所述上电极与下电极之间通过导线相连。
本发明的第四个方面，提供了上述的微胶囊驻极体自发电装置在制备柔性可穿戴电子设备中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)微胶囊形成储存空间相较于现有技术，储存空间更大、封闭性更好、性能更加稳定。
注释：微胶囊能够形成封闭性的空间，能够为电荷提供更加稳定的储存空间，即使内部电荷在高温条件下运动活跃，也能够将电荷控制在微胶囊内部而不外泄。
(2)所制备的发电装置发电效率高。
注释：由于驻极体底部的微结构使装置在变形条件下，接触面积改变更大，导致装置灵敏度更高，发电效率更高。
(3)本发明制备方法无需高压充电过程，制备方法更加简单，大大降低了柔性驻极体的制备成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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。
图1为现有技术中第一种驻极体示意图；
图2为现有技术中第二种驻极体示意图；
图3为本发明实施例1的装置示意图，其中，1.上电极、2.PTFE、3.PDMS、4.微胶囊、5.PTFE纳米颗粒、6.下电极、7.底部微结构、8.导线；
图4为本发明实施例1所制备带电荷微胶囊；
图5为本发明实施例1中模板示意图；
图6为本发明实施例1中图案化PDMS；
图7为本发明实施例1中微胶囊驻极体自发电装置的自发电性能测试图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
术语解释：
PTFE：聚四氟乙烯，聚合物，一种介电材料。
PDMS：聚二甲基硅氧烷，聚合物，预聚物和固化剂按照10：1比例混合，加热后可以固化成柔性聚合物。
驻极体：驻极体是一类能够长久储存电荷的电介质材料的总称。现有技术一般是在对具有储存电荷功能的介电材料通过极化(充电)处理，使其内部储存电荷。在外部荷载条件下，由于静电效应，产生电信号，达到发电的效果。
一种微胶囊驻极体自发电装置的制备方法，包括：
将导电层附着在PTFE膜；
将PDMS基料与固化剂混合均匀，再加入PTFE纳米颗粒和带电荷微胶囊材料，形成未固化的微胶囊/PTFE/PDMS复合材料；
将未固化的微胶囊/PTFE/PDMS复合材料涂覆在PTFE膜表面，固化，得到装置上半部分；
制备具有图案的模板，并在模板上涂覆脱模剂；
将未固化的PDMS预聚物注入模板，固化、脱模，得到具有图案的PDMS薄膜；
在PDMS薄膜表面依次负载AgNWs涂层、金属银薄膜，形成下电极；
将装置上半部分、下电极、底部微结构进行组合，在导电织物与下电极之间连接导线，得到微胶囊驻极体自发电装置。
在一些实施例中，带电荷微胶囊的制备方法包括：
将脲醛预聚体与乳化剂混合均匀，形成水相；
将SiO2溶胶材料加入到二氯甲烷，混合均匀，形成油相；
将油相加入到水相中，进行乳化，形成水包油乳液；
将水包油乳液进行酸化、加入间苯二酚进行反应，收集产物，洗涤、固液分离、干燥，得到带电荷微胶囊。
在一些实施例中，所述乳化剂为聚乙烯醇。
在一些实施例中，脲醛预聚体的制备方法为：将甲醛水溶液与尿素混合均匀，加入三乙醇胺将混合体系的pH调节至8～9之间，水浴加热反应，得到透明的脲醛预聚体；加水、冷却，待用。
在一些实施例中，所述导电层由导电织物或导电薄膜构成，优选地，所述导电薄膜由沉积金属薄膜、金属纳米线、导电聚合物中的至少一种制成。
在一些实施例中，所述图案为圆锥、棱锥、微米级圆柱中的至少一种。
在一些实施例中，所述PTFE膜的厚度为0.03～0.1mm。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
以下实施例中，固化剂为美国道康宁184硅橡胶，分装两瓶，一瓶是预聚物基材，另外一瓶是固化剂。单独存放时均为流动性的液体，混合后，会固化为柔性的固态橡胶材料。
实施例1：
一、带电荷微胶囊材料的制备：
1、胶囊外壳脲醛预聚体的制备
将甲醛水溶液(37％)与尿素以1:1的质量比加入烧杯中混合均匀，将磁力搅拌仪转速设置为300rpm，搅拌至彻底溶解。加入分析纯三乙醇胺将混合体系的pH调节至8～9之间。水浴70℃加热反应体系60min，得到透明的脲醛预聚体。称量所得脲醛预聚体质量，然后在预聚体中缓缓加入2倍质量的室温去离子水，等待自然冷却备用。
2、水相的制备
将50ml去离子水升温至50℃，在磁力搅拌仪500rpm的转速下，分多次加入共1.6gPVA粉末，之后将温度升温至80℃并持续搅拌，直至完全溶解后冷却至室温作为乳化剂备用。将10.8g所制得的预聚体加入至乳化剂中并混合均匀以获得水相。
3、油相的制备
将1g的SiO2溶胶材料添加到30g二氯甲烷中，作为油相。
4、带电荷微胶囊的制备
将7.5g油相加入至62.4g水相中，在800rpm的搅拌下乳化5min得到水包油乳液。待乳化成功后，使用0.1mol/L的稀盐酸，将溶液pH逐渐调节至3，酸化过程控制在2h左右。将0.5g分析纯的间苯二酚加入至酸化后的溶液中，将溶液温度升温至60℃，恒温加热1h。将所得到的产物使用去离子水反复洗涤6次后，静置并除去上层清液，使用干燥箱在60℃的条件下烘干，得到干燥的带电荷微胶囊。
二、柔性微胶囊驻极体自发电装置的制备：
1、装置上半部分制备：
(1)首先将上电极(例如：导电织物或其他导电薄膜，如沉积金属薄膜、金属纳米线、导电聚合物等，厚度约为100微米左右)附着在PTFE膜(PTFE膜的厚度为0.03～0.1mm均可，本实施例采用0.1mm)上。
(2)将PDMS基料与固化剂按10：1的质量比混合；然后，将PTFE纳米颗粒和所制备带电荷微胶囊材料以1：1：1的质量比加入混合物中。
(3)将未固化的微胶囊/PTFE/PDMS复合材料通过匀胶机旋涂到PTFE膜(厚度约为1毫米)表面。
(4)将复合材料置于烘箱中在80℃条件下固化1小时，固化后微胶囊的直径在20-100微米，其中，PTFE颗粒直径大约在200纳米。
2、装置下半部分制备：
(1)通过立体光刻3D打印机制备丙烯酸酯的模板(可以是圆锥、棱锥、微米级圆柱等)。
(2)在模板表面旋涂一层低表面能的脱模剂(如聚四氟乙烯，全氟辛基三氯硅烷等)以帮助脱模。
(3)将未固化的PDMS预聚物(基料和固化剂的比例为10:1)注入模板中，置于真空干燥箱内并脱气10分钟以去除气泡，然后在80℃的温度条件下固化1小时。然后将固化后表面具有圆锥图案的PDMS薄膜与模板分离。
(4)将AgNWs(银纳米线)在酒精中的分散体稀释到0.5mg/mL，旋涂于具有圆锥图案的PDMS表面(PDMS衬底大约1毫米)。
(5)通过真空蒸镀技术于AgNWs涂层表面沉积一层金属银薄膜(金属层厚度大约1微米)，共同形成下电极。
最后将上下两部分组合在一起，形成微胶囊驻极体自发电装置。
对上述制备的微胶囊驻极体自发电装置的性能进行测试，结果如图7所示，在按压条件下，装置产生交流电流，最大约为9微安。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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