一種含氟硅烷疏水表層的個人能量管理器件及其制備和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于能量管理器件及其制備和應用領域，特別涉及一種含氟硅烷疏水表層的個人能量管理器件及其制備和應用。
【背景技術】
[0002]可穿戴器件的快速發展給人們生活帶來很多便利的同時也為其能源供應問題帶來了巨大的挑戰。雖然單個可穿戴器件的功率并不高，但是其使用的廣泛性與持續性使得現有的可穿戴器件續航時間難以滿足使用者的要求。此外，傳統的電池能源還存在著安全性差，對環境污染大等諸多缺點。因此，為可穿戴器件持續、高效的供能成為一個亟需解決的問題。
[0003]來自人體本身的機械能持續性強，可利用范圍廣，包括行走、跑步、打字、觸摸手機屏幕甚至眨眼，呼吸等活動方式，都可以成為能量的來源。摩擦納米發電機(Triboelectricnanogenerator ,TENG)是一種利用摩擦起電效應及靜電感應原理將機械能轉化為電能的器件(Wang Z.L.’et al.Nano Energy，2012，I，328) JENG輸出電壓高、綠色環保、安全性好、輕便、成本低、可集成化程度高，這些優點都使其有很大的潛力成為可穿戴電源。利用摩擦起電原理將機械能轉化為電能的研究雖然已經較為深入，但是TENG的輸出效率仍有待提尚O
[0004]保暖是人類最基本的需求之一。室內暖氣供應是最普遍也最耗能的保暖措施。室內供暖占全球能量消耗的47%之多，且成為導致全球變暖的因素之一 (Cui，Y.，et al.NanoLetters 2015，15，365)。個人熱管理系統，包括針對于人體的可穿戴保暖及電加熱設備，為人體保暖提供了一種節能有效的方法。此外，可穿戴電加熱器在醫療保健方面有著重要的應用。傳統的加熱器，如暖水袋、暖寶寶等產品具有溫度不可控、發熱不均勻和便攜性差等諸多缺點。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種含氟硅烷疏水表層的個人能量管理器件及其制備和應用，該方法所需生產設備簡單，操作簡便，實驗條件溫和。所得的多功能個人能量管理器件，有效整合了轉能、保溫及電加熱三種功能，具有高柔性及良好的穩定性，適用于可穿戴領域。
[0006]本發明的一種含氟硅烷疏水表層的個人能量管理器件，所述器件為:銀納米線AgNffs、聚二甲基硅氧烷I3DMS依次包覆在尼龍布表面，氟硅烷接枝在PDMS表面，形成含氟硅烷疏水表層的個人能量管理器件。
[0007]所述銀納米線AgNWs的負載量為0.7mg/cm2?1.0mg/cm2 ；包覆PDMS的厚度為200μηι-500ymo
[0008]本發明的一種含氟娃燒疏水表層的個人能量管理器件的制備方法，包括:
[0009](I)將尼龍布浸入銀納米線的乙醇溶液中，取出后烘干，得到銀納米線包覆尼龍布AN布；
[0010](2)將銀納米線包覆尼龍布(AN布)浸入PDMS中，取出后固化，得到包覆PDMS的AN布(PDMS/AN布)；
[0011 ] (3)將氟硅烷FAS與異丙醇混合后加入HCl溶液水解，得到FAS溶液，然后將PDMS/AN布經等離子體處理后浸入FAS溶液中，烘干，即得含氟硅烷疏水表層(低表面能層)的個人能量管理器件(表面接枝了單分子層FAS的PDMS/AN布(FPAN布))。
[0012]所述步驟(I)中銀納米線的乙醇溶液的濃度為2-2.5mg/mL;銀納米線包覆尼龍布AN布中銀納米線的負載量為0.7mg/cm2?1.0mg/cm2。
[0013]所述步驟(2)中聚二甲基硅氧烷PDMS與固化劑的質量比為1:1。
[0014]所述固化劑為Sylgard184,Tow Corning0
[0015]所述步驟(2)中包覆PDMS的厚度為200μπι-500μπι。
[0016]所述步驟(3)中FAS溶液的濃度為I.0wt % -1.5wt %，FAS中的甲氧基水解為羥基，與基體在室溫下發生縮聚反應。
[0017]所述步驟(3)中等離子體處理具體為:在等離子體處理儀中處理，功率為200W，處理時間為3_6min。
[0018]本發明的一種含氟硅烷疏水表層的個人能量管理器件的應用，作為可穿戴能量管理器件的應用或作為摩擦納米發電機的應用。
[0019]本發明制備的個人能量管理器件將轉能、保溫及產熱多功能集成于一體，有效轉化機械能為電能并節省大量用于人體保溫的能量，可用作可穿戴電子器件的供電元件、隨身保暖及加熱器件。
[0020]所述步驟(3)中涉及的氟硅烷接枝過程為:
[0021 ] FAS(C8Fi3H4Si (OR)3,)中的分子末端烷氧基水解生成活性羥基，硅羥基與基底的含氧官能團反應生成牢固的硅氧鍵，而FAS分子中的氟烷基之間不發生反應，因此，FAS以穩定的單分子層接枝在PDMS的表面。
[0022]本發明中FPAN布表面接枝的FAS單分子層將TENG輸出電壓與電流提升了近十倍，達到590V及12.6μΑ。當外接電阻值為100ΜΩ時，TENG達到了2.8W/V的最高功率，能夠在500s的時間內將4.7yF的電容器充電之12V，并可以單獨點亮247個串聯的LED燈。
[0023]本發明中FPAN布中的銀納米線網絡能夠有效將人體發射的紅外線反射回人體，提供比普通布料多8%的熱量阻隔，減少了人體的熱輻射損失。此外，FPAN布可作為溫度可控、加熱均勻的可穿戴加熱器，其高柔性保證了在折疊、扭曲、揉搓的情況下均能正常工作。
[0024]本發明得到的多層包覆結構的FPAN布是一種可穿戴能量管理設備具有多種功能:既可用于摩擦納米發電機將機械能轉化為電能并為小型器件供電，又能作為可穿戴熱管理設備為人體保暖以及加熱。
[0025]本發明中采用簡單的浸涂法將氟硅烷接枝在PDMS表面，極大地提高了摩擦納米發電機的輸出性能。銀納米線網絡結構使器件對人體紅外線具有較大的反射作用從而可用于人體保暖。此外，FPAN布中銀納米線的均勻分布使其可用于均勻加熱、溫度可控且具有極高的柔性的可穿戴加熱器，直接作用于人體皮膚，避免了加熱周圍空間及物體所帶來的能源浪費問題。
[0026]有益效果
[0027](I)本發明引入了氟硅烷疏水層結構，低表面能涂層促進了摩擦面在工作過程中的有效分離，提高了材料在摩擦過程中產生的電荷量，從而有效提高器件輸出功率；
[0028](2)本發明采用浸涂法實現了集成多功能的多層包覆結構個人能量管理器件的制備，銀納米線均勻包覆于尼龍布上，作為導電電極的同時能夠起到反射紅外線的作用，實現了器件的多功能的集成；
[0029](3)本發明所得個人能量管理器件作為轉能器件使用時，具有較高的輸出功率，有望作為可穿戴器件的能源使用；在個人熱管理應用方面，能夠有效地為人體保溫且具有直接作用于人體的溫度可控、加熱均勻以及安全的電加熱功能，這使得其在可穿戴多功能器件領域有很好的應用前景。
【附圖說明】
[0030]圖1:實施例1中個人能量管理器件制備流程示意圖；
[0031]圖2:實施例1中AgNWs包覆尼龍布的SEM照片；其中a為AgNWs包覆尼龍布纖維的低倍SEM照片，a中的插圖為AgNWs包覆尼龍布纖維的高倍SEM照片;b為;AgNWs的間距為200-300nm之間；
[0032]圖3:實施例1中FPAN布的截面SEM照片;其中a為低倍照片b為高倍照片；
[0033]圖4:實施例1中個人能量管理器件轉化機械能的輸出性能:其中a、開路電壓，b、短路電流，C、電路連接不同外接電阻時，其對應的電壓與電流，d、電路連接不同外接電阻時的瞬時功率，d中的插圖為器件點亮LED燈的數碼照片；
[0034]圖5:實施例1中個人能量管理器件保溫性能及電加熱性能；其中a為普通尼龍布(上)與FPAN布(下)放在手掌上的紅外熱成像圖，a中插圖為相應的數碼照片;b柔性FPAN布在手背上進行加熱的紅外熱成像圖，b中的插圖為相應的數碼照片；c為普通尼龍布與FPAN布在50°C的熱臺上的溫度曲線;d為不同電壓下，FPAN布的升溫曲線。
【具體實施方式】
[0035]下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
[0036]實施例1
[0037]將3.0X 3.0cm2尼龍布在銀納米線乙醇溶液浸泡后取出后真空烘箱中烘干，重復此過程至銀納米線負載量為0.9mg/cm2的AN布。將上述AN布浸入PDMS中，取出均勻包覆PDMS的AN布于烘箱中固化，得到包覆厚度為