聚二甲基硅氧烷复合纳米纤维膜的制备与摩擦电性能研究

作     者：张肖楠 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪桂根

授予年度：2021年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0702[理学-物理学] 

主      题：聚二甲基硅氧烷 摩擦纳米发电机 静电纺丝 自驱动传感器 

摘      要：摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型的能量收集技术,能将环境中存在的各式各样的机械能转化为电能。纤维基TENG作为纳米发电机的发展趋势之一,在可穿戴自驱动传感器领域有良好的应用前景;其中基于静电纺丝法所制备的纤维基TENG,受到了广泛的关注与研究。聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其优异的摩擦电性能,是TENG领域的理想候选材料。实现PDMS的纤维化,有利于制备可穿戴设备用纤维基TENG;但由于其需加热促进固化、分子量较小等因素,采用静电纺丝法,尚难以直接合成PDMS纳米纤维进而制备PDMS纤维基TENG器件。本课题以PDMS为研究对象,通过引入聚偏二氟乙烯(PVDF)高分子材料,选用二甲基甲酰胺(DMF)与乙酸乙酯作为溶剂,与PDMS预聚物配制成混合溶液进行静电纺丝。PVDF的引入不仅增加了静电纺丝溶液的粘度,而且可以作为PDMS纤维化的载体。通过调节静电纺丝参数,PDMS依附PVDF纳米纤维骨架成型,从而实现了PDMS的纳米纤维化。基于此PDMS/PVDF纳米纤维膜的单电极TENG输出性能优异,随着纳米纤维中PDMS与PVDF组分的质量比增加,其断路电压、短路电流、单位面积输出功率也逐渐增大;其中质量为1:1时摩擦输出性能良好,分别可达160 V、10μA和0.46 W/m。PDMS的交联固化反应,使得纳米纤维之间相互粘连牢固,提升了薄膜的耐用性;在10,000次循环后仍可拥有良好的摩擦电输出性能。同时该薄膜防水透气,接触角达137.5°;在6小时电纺时所对应的纤维膜透气量为6.77 mm/s,满足可穿戴材料的基本需求。在合成PDMS/PVDF纳米纤维膜的基础上,复合TiO颗粒,不仅可以提升该薄膜的摩擦电性能,而且可以使该薄膜具有优异的抗紫外辐射性能,进一步满足了健康、多功能化的可穿戴需求。本课题采用电纺-电喷联合法,实现了TiO与PDMS/PVDF纳米纤维的复合。TiO颗粒尺寸约为1～2μm,均匀分布于PDMS/PVDF纳米纤维之间。由于薄膜介电常数的增加,基于PDMS/PVDF/TiO纳米纤维膜的单电极TENG输出性能在复合TiO薄膜后,性能得到了进一步提升,断路电压最大可达185 V,单位面积输出功率达0.53W/m,相比于未复合TiO的PDMS/PVDF纳米纤维膜分别提升了15.6%、15.2%。同时,薄膜对紫外线的透过率大大减小,从而具有良好的抗紫外辐射性能。基于该薄膜的单电极TENG具有良好的应用前景:如作为小型电子设备供电源驱动商用LED灯、温度计等设备;也可用于自驱动传感器以收集人体活动能量转换为电信号;此外,利用其摩擦电压对压力的敏感性,可以用作产生二进制信号,以实现信息传输。