一种超疏水涂层及其制备方法和应用

本发明涉及一种在高湿环境下工作的超疏水摩擦纳米发电机摩擦层及其制备方法和应用，属于摩擦纳米发电机

背景技术：

1、随着全球能源需求的增长和环境保护意识的提升，寻求清洁、可再生及环境友好的新型能源技术成为科研领域的重点。雨水作为一种广泛分布且具有一定能量潜力的自然资源，其开发利用受到了广泛关注。摩擦纳米发电机作为一种新兴的能量收集技术，基于接触分离起电与静电感应效应，能够将机械能转化为电能。在收集自然界低频机械能场景中展现出了巨大的应用潜力，可以很好的用来收集雨滴的能量。

2、在降雨天气，空气湿度较高，在面向高湿条件时，摩擦纳米发电机摩擦层上形成水膜会恶化电荷传递、诱导电荷耗散，从而降低摩擦纳米发电机的输出效果。所以解决高湿环境下摩擦纳米发电机发电效率低下的问题落在眉睫。超疏水表面由于良好的拒水性，能够很好的抑制摩擦层水膜形成，从而保证摩擦纳米发电机在高湿环境下有良好的发电效果。国内外研究人员通过蚀刻、光刻、倒模工艺构造了超疏水摩擦层，例如西安电子科技大学的常晶晶等学者通过倒膜法制备超疏水表面(专利公开号cn116915084a)，然而这种方法制备超疏水表面存在加工精度要求较高、模具昂贵、模具易污染，加工的超疏水表面无法根据要求定制等缺点。

3、纳秒激光加工是一种采用脉冲宽度在纳秒级别的激光进行材料烧蚀的技术，具有高精度、广泛适用性、可控性强、低成本等优点，能有效地构造超疏水表面。然后由于摩擦纳米发电机摩擦层材料多为透明薄膜，很难利用纳秒激光在其表面制备出超疏水结构，极易对其表面造成损伤。因此，如何在不降低高湿环境下摩擦纳米发电机发电效果的前提下，降低摩擦层透光度以实现纳秒激光加工是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的第一目的是提供一种适合在高湿环境下工作的超疏水摩擦纳米发电机摩擦层，本发明的第二目的是提供一种该超疏水摩擦纳米发电机摩擦层的制备方法，通过添加ptfe微米颗粒，不仅提高了摩擦纳米发电机的发电效果，而且实现了摩擦层表面的纳秒激光加工，构造的摩擦层超疏水结构保证了摩擦纳米发电机在高湿环境下工作，本发明的第三目的是提供该超疏水摩擦纳米发电机摩擦层在用于高湿环境下摩擦纳米发电机收集雨滴能量中的应用。

2、技术方案：本发明所述的一种超疏水涂层，所述超疏水涂层包括pdms和ptfe微米颗粒为原料，经纳米激光加工在基底表面得到。

3、其中，所述基底可以为铜、铝或导电玻璃中的一种。

4、本发明所述超疏水涂层的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)将pdms与固化剂混合配置pdms溶液；

6、(2)将ptfe微米颗粒与pdms溶液混合，超声分散，得到混合物；

7、(3)将步骤(2)得到的混合物旋涂在基底表面，抽真空、干燥固化成型，在基底表面形成涂层；

8、(4)对步骤(3)得到的涂层进行纳秒激光加工，得到超疏水涂层。

9、其中，步骤(1)中，所述固化剂为邻苯二甲酸二丁酯、二月桂酸二丁基锡中的一种。

10、其中，步骤(1)中，所述pdms与固化剂质量比为9～12:1。

11、其中，步骤(2)中，所述ptfe微米颗粒的直径为3～10um。

12、其中，步骤(2)中，所述pdms溶液与ptfe微米颗粒的质量比为1:8以上，优选1:8。

13、其中，步骤(2)中，所述超声分散的温度为15～30℃，超声分散的时间为10～20min，超声频率为20～60khz，超声功率为60～120w。

14、其中，步骤(3)中，混合物旋涂在基底表面时，第一阶段旋涂时间为30～50s，转速为400～600r/min，第二阶段旋涂时间为50～60s，转速为600～1200r/min，第二阶段旋涂时间优选800r/min。

15、其中，步骤(3)中，抽真空时的压力为0.04～0.08mpa，抽真空的时间为15～30min。

16、其中，步骤(3)中，干燥固化的温度为60～120℃，干燥固化的时间为2～4h。

17、其中，步骤(3)中，所述涂层的厚度为50～150um。

18、其中，步骤(4)中，纳秒激光加工表面图案为三角形、矩形、菱形中的一种。

19、其中，步骤(4)中，纳秒激光加工时，扫描速度为400～600mm/s，激光频率为20～50khz，脉冲宽度为2～5微秒，电流为0.3～3a，扫描层数为15～20层。

20、其中，加工为菱形时，长对角线为100～600μm，优选200um。

21、本发明还包括所述超疏水涂层在用于高湿环境下摩擦纳米发电机收集雨滴能量中的应用。

22、制备原理：在pdms溶液中加入ptfe微米颗粒后，制备得到的摩擦层表面会镶嵌有ptfe微米颗粒，由于ptfe的侧链官能团中含有f，电负性强于pdms侧链官能团中的ch3，得电子能力更强，因此在发电过程中，当雨滴与摩擦层表面发生摩擦时，掺杂有ptfe的摩擦层可以提高摩擦起电过程中的电荷转移数量，进而，从雨滴导出，流经外部电路的电荷更多，提高摩擦纳米发电机的发电效果。由pdms制备得到的摩擦层为无色透明，激光加工时激光会直接透过表面，无法在表面加工出微结构，掺杂有ptfe微米颗粒后，制备得到的膜为乳白色，在控制ptfe含量后可以通过纳秒激光在表面构建粗糙结构，得到超疏水表面。在高湿天气发电时，超疏水摩擦层能防止水膜形成，而且表面的粗糙结构可以扩大固—液接触面积，提高转移电荷密度，即提高发电效果。

23、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

24、(1)本发明通过纳秒激光加工制备的超疏水摩擦层，操作简单、成本低。并且可以根据不同的实际需求，纳秒激光加工得到不同尺寸的表面图案，实现不同的摩擦层疏水性。

25、(2)本发明通过添加ptfe微米颗粒和超疏水表面增大固—液接触面积两种措施，制备的超疏水摩擦层具有优异的发电效果，一滴水的发电电压能够达到220v，能够很好的用于收集雨滴中的能量。

26、(3)本发明制备的超疏水摩擦层可以在高湿环境下正常工作，在环境湿度分别为30％、60％、90％的情况下，发电电压基本保持不变，仍具有优异的发电效果。

27、(4)本发明相比短脉冲的飞秒激光加工，在达到同样的摩擦层表面疏水性时，加工速度更快，显著降低了摩擦层的制备成本和制备效率。

技术特征：

1.一种超疏水涂层，其特征在于，所述超疏水涂层包括pdms和ptfe微米颗粒为原料，经纳秒激光加工在基底表面得到。

2.根据权利要求1所述超疏水涂层，其特征在于，所述基底为铜、铝或导电玻璃中的一种。

3.权利要求1或2所述超疏水涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述固化剂为邻苯二甲酸二丁酯、二月桂酸二丁基锡中的一种，所述pdms与固化剂质量比为9～12:1。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述ptfe微米颗粒的直径为3～10um，所述pdms溶液与ptfe微米颗粒的质量比为1:8以上。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超声分散的温度为15～30℃，超声分散的时间为10～20min，超声频率为20～60khz，超声功率为60～120w。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，混合物旋涂在基底表面时，第一阶段旋涂时间为30～50s，转速为400～600r/min，第二阶段旋涂时间为50～60s，转速为600～1200r/min。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，抽真空时的压力为0.04～0.08mpa，抽真空的时间为15～30min，干燥固化的温度为60～120℃，干燥固化的时间为2～4h，所述涂层的厚度为50～150um。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，纳秒激光加工表面图案为三角形、矩形、菱形中的一种，扫描速度为400～600mm/s，激光频率为20～50khz，脉冲宽度为2～5微秒，电流为0.3～3a，扫描层数为15～20层。

10.权利要求1或2所述超疏水涂层在用于高湿环境下摩擦纳米发电机收集雨滴能量中的应用。

技术总结本发明公开了一种超疏水涂层及其制备方法和应用，将PDMS与固化剂混合配置PDMS溶液；再将PTFE微米颗粒与PDMS溶液混合，超声分散后旋涂在基底表面，抽真空、干燥固化成型，再进行纳秒激光加工，得到超疏水涂层。本发明通过在PDMS溶液中添加PTFE微米颗粒，提高了发电效果，并降低了摩擦层透光性，使得在涂层表面进行纳秒激光加工可行，激光加工制备的超疏水摩擦层保证了摩擦纳米发电机在高湿环境下能保持优异的发电效果。技术研发人员：李嘉鹏,冯晓明,朱晓辉,马太金,王遥,李凤芹,张恒,魏林林,杨韬受保护的技术使用者：江苏科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23