本發(fā)明屬于新能源材料領(lǐng)域，涉及一種基于摩擦起電的能量收集涂層材料及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著不可再生能源的日益枯竭，能源問題已成為影響和制約社會發(fā)展的重要因素。開發(fā)利用各種可再生的清潔能源，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，是解決能源問題的重要途徑。除了水力、風能、生物質(zhì)能、太陽能等常見形式的可再生能源，在自然界中還蘊藏著豐富的摩擦能源。摩擦起電是一種很常見的物理現(xiàn)象，生活中無時無刻不存在著摩擦，其中所蘊含的能量十分可觀。如果能夠?qū)⑦@些豐富的摩擦能收集利用，不僅能夠極大的緩解能源壓力，而且可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

摩擦能源的存在形式多種多樣，其能量分布也較為分散，因此很難將其收集起來并加以利用。研究證明利用摩擦起電和靜電感應(yīng)原理制作的摩擦發(fā)電機能夠有效收集摩擦能。中國專利cn104052327a、cn202818150u、cn205051599u、cn203445807u等通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了多種形式摩擦能的收集，其所使用的摩擦材料都是生活中常見的聚合物。這些材料雖然廉價易得，但由于都是成品薄膜，無論是材料改性還是不規(guī)則表面大面積施工，都會受到很大的限制，不利于其大規(guī)模應(yīng)用。同時，這些專利中所用材料的表面均有納米結(jié)構(gòu)，制備成本高，在實際使用過程中易磨損，并且環(huán)境中的灰塵顆粒容易嵌入納米結(jié)構(gòu)中，影響其發(fā)電效率。因此，為了滿足實際應(yīng)用的需求，可大面積施工的涂層類摩擦層材料的研發(fā)勢在必行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于摩擦起電的能量收集涂層材料及其應(yīng)用。

本發(fā)明所述涂層材料可以進行大規(guī)模涂裝，工藝簡單，并且可用于不規(guī)則表面施工。此涂層材料能夠直接噴涂或刷涂在電極表面，作為摩擦層材料而構(gòu)建基于摩擦起電的能量收集器件，用于收集環(huán)境中的摩擦能。

一種基于摩擦起電的能量收集涂層材料，其特征在于該涂層材料是由以下質(zhì)量百分比的組分組成：含氟丙烯酸聚氨酯預(yù)聚物20~90%、聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚物0.01~70%、甲基丙烯酸酯類單體或預(yù)聚物0.01~50%、光引發(fā)劑2%~5%、助劑0.1%~3%；所述含氟丙烯酸聚氨酯預(yù)聚物通過以下方法制備得到：將全氟醇和含羥基丙烯酸酯溶于除水甲苯或二甲苯中，在40~70°c加入含有阻聚劑的二異氰酸酯，然后加入催化劑反應(yīng)3~4小時；所述聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚物通過以下方法制備得到：將全氟醇溶于除水甲苯或二甲苯中，在40~70°c加入含有阻聚劑的異氰酸酯丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸異氰基乙酯，然后加入催化劑反應(yīng)3~5小時。

所述含氟丙烯酸聚氨酯預(yù)聚物的制備方法中，二異氰酸酯中異氰酸酯基總量與全氟醇和含羥基丙烯酸酯中所含羥基總量的摩爾比為1:1~1.1；所述阻聚劑為2,6-二叔丁基對甲酚，其用量為二異氰酸酯質(zhì)量的0.1%~0.2%；所述催化劑為二月桂酸二丁基錫或辛酸亞錫，用量為二異氰酸酯、全氟醇和含羥基丙烯酸酯質(zhì)量之和的0.05%~0.1%。

所述二異氰酸酯為甲苯二異氰酸酯、二苯甲烷二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯中的一種或幾種的混合物。

所述含羥基丙烯酸酯為甲基丙烯酸-β-羥乙酯、甲基丙烯酸-β-羥丙酯、丙烯酸-β-羥乙酯、丙烯酸-β-羥丙酯中的一種或幾種的混合物。

所述聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚物的制備方法中，異氰酸酯丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸異氰基乙酯中的異氰酸酯基總量與全氟醇所含羥基總量的摩爾比為1.2~1:1；所述阻聚劑為2,6-二叔丁基對甲酚，其用量為含異氰酸基團化合物質(zhì)量的0.1%~0.2%；所述催化劑為二月桂酸二丁基錫，用量為含異氰酸基團化合物與全氟醇質(zhì)量總和的0.05%~0.1%。

所述全氟醇為全氟烷基乙醇、全氟十醇、全氟丁醇、全氟-1-辛醇、2-全氟辛基乙醇、1,1,2,2-四氫全氟十二醇、1h,1h,2h,2h-全氟己-1-醇、1,1,2,2-四氫全氟十四醇、1h,1h-全氟-1-十二(烷)醇中的一種或幾種的混合物。

所述甲基丙烯酸酯類單體或預(yù)聚物為甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸-β-羥乙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸環(huán)己酯、甲基丙烯酸三氟乙酯、甲基丙烯酸六氟丁酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸十三氟辛酯、甲基丙烯酸十七氟癸酯中的一種或幾種的混合物。

所述光引發(fā)劑為2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲?；交⑺嵋阴ァ⒈郊柞＜姿峒柞ブ械囊环N或多種的混合物。

所述助劑為消泡劑和/或流平劑。

將如上所述基于摩擦起電的能量收集涂層材料噴涂、刷涂或者旋涂于導(dǎo)電材料上并紫外光固化2~5分鐘，即得涂層摩擦電能量收集器件。

本發(fā)明有益效果：

1、本發(fā)明提供的涂層作為摩擦層材料，在材料改性和不規(guī)則表面大面積施工方面都有很好的可操作性，使得摩擦層材料在實際施工過程中可以根據(jù)需要進行調(diào)整，尤其在大面積不規(guī)則表面施工時操作簡單，減少了摩擦層材料涂裝的成本和施工時間。

2、本發(fā)明提供的涂層材料具有很好的疏水性和自清潔性能，并且材料表面不含有微納米結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中不用擔心灰塵顆粒嵌入材料結(jié)構(gòu)中，從而影響發(fā)電效率。即使表面布滿灰塵，因涂層具有較好的自清潔性能，在雨水的沖刷下即可除掉表面灰塵，使得器件能夠保持較好的發(fā)電效率。

3、本發(fā)明提供的涂層材料具有很好的透光性，能夠噴涂或刷涂在窗戶玻璃表面，作為透明能量收集涂層使用。同時該涂層具有較好的耐紫外光輻射的性能，具有很好的使用耐久性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的基于摩擦起電的能量收集涂層實施例1的器件輸出電壓曲線。

圖2為本發(fā)明提供的基于摩擦起電的能量收集涂層實施例2的器件輸出電壓曲線。

具體實施方式

實施例1

將1g全氟丁醇、2.5g全氟十醇、1.3g甲基丙烯酸-β-羥乙酯、50ml除水甲苯加入三口燒瓶中充分攪拌，并加熱至50°c。將0.87g甲苯二異氰酸酯、1.11g異佛爾酮二異氰酸酯和0.003g2,6-二叔丁基對甲酚混合均勻，并緩慢滴加入三口燒瓶中。待滴加完成后，加入0.005g二月桂酸二丁基錫，反應(yīng)3~4小時，得到含氟丙烯酸聚氨酯預(yù)聚物ⅰ。將20g全氟-1-辛醇溶于150ml除水甲苯中，加熱至60°c。將0.017g2,6-二叔丁基對甲酚和8.5g甲基丙烯酸異氰基乙酯混合均勻，并緩慢滴加，隨后加入0.025g二月桂酸二丁基錫，反應(yīng)3~5小時，得到聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚物ⅱ。利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將預(yù)聚物ⅰ和預(yù)聚物ⅱ中的溶劑去除，并取50份預(yù)聚物ⅰ、5份預(yù)聚物ⅱ、40份甲基丙烯酸六氟丁酯、2份2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮、2份dowcorning163消泡劑及1份dowcorning57流平劑在15~40°c下調(diào)配均勻，即得到產(chǎn)品。

將產(chǎn)品旋涂于導(dǎo)電聚合物薄膜上并紫外光固化3~5分鐘，得到涂層摩擦電能量收集器件。

實施例2

將20g全氟-1-辛醇、5.8g丙烯酸-β-羥乙酯、50ml除水甲苯加入三口燒瓶中充分攪拌，并加熱至55°c。將8.4g六亞甲基二異氰酸酯和0.017g2,6-二叔丁基對甲酚混合均勻，并緩慢滴加入三口燒瓶中。待滴加完成后，加入0.02g二月桂酸二丁基錫，反應(yīng)3~4小時，得到含氟丙烯酸聚氨酯預(yù)聚物ⅰ。將5g全氟丁醇和12.5g全氟十醇溶于150ml除水甲苯中，加熱至60°c。將0.012g2,6-二叔丁基對甲酚和7.73g異氰酸酯丙烯酸乙酯混合均勻，并緩慢滴加，隨后加入0.015g二月桂酸二丁基錫，反應(yīng)3~5小時，得到聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚物ⅱ。利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將預(yù)聚物ⅰ和預(yù)聚物ⅱ中的溶劑去除，并取80份預(yù)聚物ⅰ、5份預(yù)聚物ⅱ、10份甲基丙烯酸甲酯、2份2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮及3份dowcorning57流平劑在15~40°c下調(diào)配均勻，即得到產(chǎn)品。

將產(chǎn)品噴涂于透明導(dǎo)電玻璃上并紫外光固化2~5分鐘，得到涂層摩擦電能量收集器件。

實施例3

將2g全氟丁醇、1.3g甲基丙烯酸-β-羥乙酯、50ml除水甲苯加入三口燒瓶中充分攪拌，并加熱至50°c。將1.75g甲苯二異氰酸酯和0.002g2,6-二叔丁基對甲酚混合均勻，并緩慢滴加入三口燒瓶中。待滴加完成后，加入0.003g二月桂酸二丁基錫，反應(yīng)3~4小時，得到含氟丙烯酸聚氨酯預(yù)聚物ⅰ。將25g全氟十醇溶于150ml除水甲苯中，加熱至60°c。將0.017g2,6-二叔丁基對甲酚和8.5g甲基丙烯酸異氰基乙酯混合均勻，并緩慢滴加，隨后加入0.025二月桂酸二丁基錫，反應(yīng)3~5小時，得到聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚物ⅱ。利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將預(yù)聚物ⅰ和預(yù)聚物ⅱ中的溶劑去除，并取25份預(yù)聚物ⅰ、60份預(yù)聚物ⅱ、10份甲基丙烯酸六氟丁酯、3份2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮及2份dowcorning163消泡劑在15~40°c下調(diào)配均勻，即得到產(chǎn)品。

將產(chǎn)品噴涂于不銹鋼板上并紫外光固化2~5分鐘，得到涂層摩擦電能量收集器件。

實施例4

將10g全氟-1-辛醇、5g全氟丁醇、5.8g丙烯酸-β-羥乙酯、50ml除水甲苯加入三口燒瓶中充分攪拌，并加熱至55°c。將5.55g異佛爾酮二異氰酸酯、4.2g六亞甲基二異氰酸酯和0.017g2,6-二叔丁基對甲酚混合均勻，并緩慢滴加入三口燒瓶中。待滴加完成后，加入0.02g二月桂酸二丁基錫，反應(yīng)3~4小時，得到含氟丙烯酸聚氨酯預(yù)聚物ⅰ。將5g全氟丁醇和12.5g全氟十醇溶于150ml除水甲苯中，加熱至60°c。將0.02g2,6-二叔丁基對甲酚和7.73g異氰酸酯丙烯酸乙酯混合均勻，并緩慢滴加，隨后加入0.015g二月桂酸二丁基錫，反應(yīng)3~5小時，得到聚氨酯丙烯酸酯預(yù)聚物ⅱ。利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將預(yù)聚物ⅰ和預(yù)聚物ⅱ中的溶劑去除，并取40份預(yù)聚物ⅰ、40份預(yù)聚物ⅱ、15份甲基丙烯酸甲酯、2份2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮及3份dowcorning163消泡劑在15~40°c下調(diào)配均勻，即得到產(chǎn)品。

將產(chǎn)品刷涂于馬口鐵上并紫外光固化2~4分鐘，得到涂層摩擦電能量收集器件。