室温自愈合可回收纤维状摩擦电纳米发电机及制备方法

本发明涉及纳米发电，尤其涉及一种室温自愈合可回收纤维状摩擦电纳米发电机的制备方法及摩擦电纳米发电机。

背景技术：

1、智能可穿戴设备需要稳定和持续的电力供应系统。然而，传统电池充放电频繁，寿命短，污染环境，其较差的柔韧性也影响了制造的可穿戴设备的灵活性，严重制约了智能可穿戴设备的进一步发展。此外，一些新的能量收集技术，包括生物燃料电池、热电发电机、太阳能电池，虽然可以从周围的环境中获得绿色能源，但对外部环境的极端依赖，也限制了它们的广泛应用。

2、摩擦电纳米发电机(tengs)基于摩擦电气化效应和静电感应原理，可将周围环境中的机械能(人体运动、风能、水能等)转化为电能。由于具有环保、低成本、结构简单、易于携带等优点，在智能可穿戴设备和多功能自供电传感方面都有广阔的应用前景。人体可以提供丰富的机械能，通过tengs与人体运动的结合，可以将人体运动产生的机械能获取和利用。同时，tengs作为一种可穿戴传感器检测人体运动(拉伸、弯曲、按压、摩擦，以及微小的脉搏跳动)，已被广泛用于人体生物力学能量收集、健康监测和医疗诊断、娱乐等方面。目前用于提高摩擦电纳米发电机的输出性能的途径主要有两种，一是通过选择最佳摩擦材料或引入驻极体来增加表面电荷，二是提高摩擦层的粗糙度用于提高其接触时的比表面积。现有的tengs用于智能可穿戴设备时大多是以粘接或捆绑的方式固定在人体某些部位，但以上方式tengs与人体的结合程度难以控制，输出的稳定受到了严重影响，并且人体穿戴的舒适性和灵活性也会受到影响。此外，现有的tengs一旦损坏必须更换才能重新使用，无法回收利用，大大减少了其使用寿命，并对环境造成了污染。

3、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种室温自愈合可回收纤维状摩擦电纳米发电机的制备方法及摩擦电纳米发电机，纤维状可以使tengs紧密缝合在衣物上，有效提高了tengs的输出的稳定性；引入动态共价键使tengs具有室温自愈合性和可回收性，延长了tengs的使用寿命，并提高了可重复加工性。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明的一种室温自愈合可回收纤维状摩擦电纳米发电机的制备方法包括：

4、步骤1，合成制备室温自愈合的导电水凝胶纤维以作为摩擦电纳米发电机的导电电极，其中，将聚合物、电解质、引发剂和交联剂溶于去离子水中，磁力搅拌后除气泡，浇筑模具固化得到所述导电水凝胶纤维；

5、步骤2，制备室温自愈合的聚二甲基硅氧烷(pdms)基弹性体以作为摩擦电纳米发电机的负摩擦层材料，其中，将聚二甲基硅氧烷、异氰酸酯类化合物、扩链剂、催化剂和溶剂混合，在磁力搅拌条件下氮气氛下反应一定时间后得到所述聚二甲基硅氧烷基弹性体；

6、步骤3，水凝胶纤维外包覆不同厚度的pdms基弹性体制成纤维状摩擦电纳米发电机。

7、所述的方法中，步骤3中，将所述导电水凝胶纤维固定在牵引装置上，从聚二甲基硅氧烷基弹性体溶液中穿出后在固化装置中固化，重复数次得到不同直径的室温自愈合的纤维状摩擦电纳米发电机。

8、所述的方法中，步骤1中，所述聚合物包括聚乙烯醇或丙烯酰胺中的任意一种或多种；所述电解质包括氯化钠、氯化铁或海藻酸钠中的任意一种或多种；所述引发剂包括过硫酸钾或过硫酸铵中的任意一种或多种；所述交联剂包括n，n’-亚甲基双丙烯酰胺、芳基硼酸、硼酸或硼砂中的任意一种或多种，所述聚合物的质量分数为10～50wt％，交联剂的质量分数为0.5～2.5wt％，电解质的质量分数为10～50wt％。

9、所述的方法中，交联剂为硼砂溶液，硼砂溶液的质量分数为0.5～2.5wt％。

10、所述的方法中，步骤1中，磁力搅拌时间为2～8h，固化温度为30～100℃，固化时间为4～8h，模具为直径0.5～5.0mm的聚四氟乙烯管。

11、所述的方法中，步骤2中，所述聚二甲基硅氧烷包括双(3-羟丙基)端基聚二甲硅氧烷、双(3-氨丙基)端基聚二甲硅氧烷、双氨基-聚二甲基硅氧烷或双羟基-聚二甲基硅氧烷中的任意一种或多种；异氰酸酯类化合物包括甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯或赖氨酸二异氰酸酯的任意一种或多种；扩链剂包括4，4′-二硫代二苯胺、2，2′-二硫代二乙醇或4，4′-二羟基苯基二硫化物中的任意一种或多种；催化剂包括二月桂酸二丁基锡或三苯基铋中的任意一种或多种；溶剂包括四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丙酮或n，n-二甲基乙酰胺中的任意一种或多种。

12、所述的方法中，步骤2中，异氰酸酯基与羟基、氨基摩尔数之和的摩尔比为(1～1.5)∶1，反应温度为40～80℃，反应时间4～8h。

13、所述的方法中，水凝胶纤维外包覆pdms基弹性体时，pdms基弹性体溶液质量分数为10～50wt％，溶剂为四氢呋喃或n，n-二甲基乙酰胺中的任意一种或几种，固化温度为30～80℃，固化时间为2～10min，包覆摩擦层材料的厚度为0.1～1.0mm。

14、所述的方法中，还包括，步骤4，将所述纤维状摩擦电纳米发电机在室温下置于极性溶剂中，待聚二甲基硅氧烷基弹性体充分溶解后将水凝胶纤维取出以回收，重复步骤3，最终得到室温自愈合可回收纤维状摩擦电纳米发电机，所述极性溶剂包括四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丙酮或n，n-二甲基乙酰胺中的任意一种或多种；所述溶解时间为2～6h。

15、一种室温自愈合可回收纤维状摩擦电纳米发电机，其经由所述的方法制成。

16、有益效果

17、室温自愈合可回收纤维状摩擦电纳米发电机的制备方法将tengs制成纤维状可以提供有高比表面积、纵横比、孔隙率和丰富的接触位点，有效提高了tengs的输出性能和透气性。同时，在纤维状tengs中引入动态共价键使其具有室温自愈合性和可回收性，延长了tengs的使用寿命和提高了可重复加工性。此外，纤维状tengs可与衣物直接缝合在一起，大大提高了智能可穿戴设备和衣物的一体性，使智能可穿戴设备的输出性能更加稳定和持续。通过在水凝胶纤维中引入动态硼酸酯键，使水凝胶纤维具有室温自愈合性；通过在pdms基弹性体中引入动态二硫键，使制备的pdms基弹性体具有室温自愈合性；将二者结合制备成tengs，使tengs具有室温自愈合性和可回收性，解决了传统tengs易磨损和难再加工的问题，延长了tengs的使用寿命，并提高了tengs的可重复加工性，减少了环境污染。通过将tengs制备成纤维状，解决了传统tengs与人体难固定的问题，提高了tengs的输出的稳定性。浸润-固化制备解决了传统pdms基弹性体难以制备成纤维状的问题，为纤维状pdms基tengs的制备提供了一种新思路。

18、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。