本發(fā)明涉及聚合物薄膜領(lǐng)域，具體地，涉及用于摩擦發(fā)電機(jī)的聚二甲基硅氧烷膜的制備方法、由該方法制備的聚二甲基硅氧烷膜及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

人們的生活環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)中存在大量可以利用的機(jī)械能，自1831年邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象后，電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)成為了最重要、最廣泛的發(fā)電方式，至今還沒有其它發(fā)電方式可與之比肩。近年來，王中林院士研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)提供了一種采用機(jī)械能發(fā)電的新方法，其原理基于摩擦生電和靜電感應(yīng)現(xiàn)象，不僅能夠驅(qū)動微納電子器件工作，還可以給便攜式電子設(shè)備和家用電器供電，收集電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)不容易獲取的機(jī)械能，比如海浪能、機(jī)械振動等，將有可能成為與電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)同等重要的發(fā)電技術(shù)。但現(xiàn)在的摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能還比較低，限制了摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)際應(yīng)用價值及應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的摩擦發(fā)電機(jī)輸出性能低的缺陷，提供了一種聚二甲基硅氧烷膜的制備方法，由該方法制備的聚二甲基硅氧烷膜，以及應(yīng)用該聚二甲基硅氧烷膜的摩擦發(fā)電機(jī)。

第一方面，本發(fā)明提供了一種聚二甲基硅氧烷膜的制備方法，該方法包括如下步驟：

(1)在聚二甲基硅氧烷中添加固化劑，攪拌均勻得到混合物；

(2)向步驟(1)得到的混合物中摻雜表面帶負(fù)電的微納米顆粒得到聚二甲基硅氧烷漿料；

(3)將步驟(2)得到的聚二甲基硅氧烷漿料涂布在模板上，并對膜脫氣， 隨后將膜烘干；

(4)將步驟(3)得到的膜浸入堿性溶液中或者采用堿性溶液對其噴淋，隨后清洗、干燥，從而得到聚二甲基硅氧烷膜。

第二方面，本發(fā)明提供了一種聚二甲基硅氧烷膜，采用第一方面的制備方法制備得到。

第三方面，本發(fā)明提供了第一方面的制備方法制備得到的聚二甲基硅氧烷膜或者第二方面的聚二甲基硅氧烷膜在制備摩擦發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用。

第四方面，本發(fā)明提供了一種摩擦發(fā)電機(jī)，其中，所述摩擦發(fā)電機(jī)包括層疊設(shè)置的第一電極層，第一高分子聚合物絕緣層，和第二電極層；或者，所述摩擦發(fā)電機(jī)包括層疊設(shè)置的第一電極層，第一高分子聚合物絕緣層，第二高分子聚合物絕緣層和第二電極層；或者，所述摩擦發(fā)電機(jī)包括層疊設(shè)置的第一電極層，第一高分子聚合物絕緣層，居間電極層，第二高分子聚合物絕緣層和第二電極層；或者，所述摩擦發(fā)電機(jī)包括層疊設(shè)置的第一電極層，第一高分子聚合物絕緣層，居間薄膜層，第二高分子聚合物絕緣層和第二電極層；

其中，第一高分子聚合物絕緣層，和/或，第二高分子聚合物絕緣層，和/或，居間薄膜層由第一方面的制備方法制備得到的聚二甲基硅氧烷膜或者第二方面的聚二甲基硅氧烷膜構(gòu)成。

本發(fā)明制備聚二甲基硅氧烷膜的方法中，在聚二甲基硅氧烷與固化劑的混合物中加入了二氧化硅顆粒、硅納米顆粒等改性顆粒，從而提高了聚二甲基硅氧烷中Si-O-Si鍵結(jié)構(gòu)濃度，然后在堿性溶液中浸泡或采用堿性溶液噴淋，實(shí)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷改性，提高聚二甲基硅氧烷帶負(fù)電性，從而提高該聚二甲基硅氧烷膜與其它摩擦材料組裝成的摩擦發(fā)電機(jī)的電輸出性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明制備方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式的摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是采用本發(fā)明的方法制備的PDMS膜(曲線1)與用于對比的PDMS膜(曲線2)的充電性能測試結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為充分了解本發(fā)明之目的、特征及功效，借由下述具體的實(shí)施方式，對本發(fā)明做詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不僅僅限于此。

本發(fā)明提供了一種聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜的制備方法，由該方法制備的聚二甲基硅氧烷膜可用于摩擦發(fā)電機(jī)和微流控芯片等。下面結(jié)合圖1對本發(fā)明的方法進(jìn)行說明。本發(fā)明的方法包括如下步驟：

(1)在聚二甲基硅氧烷中添加固化劑，攪拌均勻得到混合物。其中，本發(fā)明中所使用的聚二甲基硅氧烷可以市購得到，例如，美國道康寧公司生產(chǎn)的型號是Sylgard 184的產(chǎn)品。常規(guī)市售的固化劑(例如，硫化劑)均可用于本發(fā)明中，例如，美國道康寧公司生產(chǎn)的型號是Sylgard 184的產(chǎn)品。所述聚二甲基硅氧烷與所述固化劑的質(zhì)量比是1:1-20:1，優(yōu)選10:1。

(2)向步驟(1)得到的混合物中摻雜表面帶負(fù)電的微納米顆粒得到聚二甲基硅氧烷漿料。其中，按重量百分比計，所述表面帶負(fù)電的微納米顆粒的摻雜量是1％-40％，優(yōu)選5％-8％。所述表面帶負(fù)電的微納米顆?？梢允嵌趸桀w粒和/或硅納米顆粒，粒徑范圍10nm-2000nm。

通過在聚二甲基硅氧烷與固化劑的混合物中添加二氧化硅顆粒和/或硅納米顆粒，可以提高聚二甲基硅氧烷中Si-O-Si鍵結(jié)構(gòu)濃度，從而提高聚二甲基硅氧烷摻雜后帶負(fù)電性。

(3)采用刮涂等方式將聚二甲基硅氧烷漿料涂布在模板上，隨后，在真空狀態(tài)下對膜進(jìn)行脫氣以去除膜中氣泡，之后，在50-100℃烘箱中烘1-5小時，優(yōu)選在70℃烘2小時。烘干后，將膜剝離下來，其厚度為10μm-1000μm。

(4)將步驟(3)得到的膜浸入堿性溶液中或者采用堿性溶液對其噴淋，時間是10秒-1000秒，隨后用去離子水清洗，并用惰性氣體將其吹干，從而得到聚二甲基硅氧烷膜。

其中，堿性溶液是濃度為0.01mol/L-10mol/L氨水或者濃度為0.01mol/L-10mol/L氫氧化鈉溶液，或者二者的組合，優(yōu)選地，所述堿性溶液是氨水，因?yàn)榘彼坏梢愿淖僷H值，而且可以使聚二甲基硅氧烷極化。

通過步驟(4)處理后，實(shí)現(xiàn)了聚二甲基硅氧烷改性，提高了其帶負(fù)電性。帶負(fù)電性越強(qiáng)，摩擦過程中產(chǎn)生的電荷越多，從而能提高摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能。

通過上述方法制備得到的聚二甲基硅氧烷膜可用于制備摩擦發(fā)電機(jī)。圖2為本發(fā)明的一種摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，摩擦發(fā)電機(jī)包括：依次層疊設(shè)置的第一電極層300，第一高分子聚合物絕緣層301，第二高分子聚合物絕緣層302以及第二電極層303。第一高分子聚合物絕緣層301和第二高分子聚合物絕緣層302之間構(gòu)成摩擦界面，第一電極層300和第二電極層303為摩擦發(fā)電機(jī)的兩個輸出端。其中，第一高分子聚合物絕緣層301和第二高分子聚合物絕緣層302中至少有一層采用上述方法制備得到的聚二甲基硅氧烷膜。

上述介紹的是四層結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機(jī)。實(shí)際中，還可以制備三層結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機(jī)，即省略第二高分子聚合絕緣層，使第一高分子聚合物絕緣層與第二電極層構(gòu)成摩擦界面，在這種情況下，第一高分子聚合物絕緣層采用上述方法制備得到的聚二甲基硅氧烷膜。或者，在第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層之間增加一層高分子聚合物材質(zhì)的居間薄膜層，形成五層結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機(jī)，使居間薄膜層與第一高分子聚合物絕緣層和/或居間薄膜層與第二高分子聚合物絕緣層構(gòu)成摩擦界面，在這種情況下，構(gòu)成摩擦界面的層中至少有一層采用上述方法制備得到的聚二甲基硅氧烷膜?；蛘撸诘谝桓叻肿泳酆衔锝^緣層與第二高分子聚合物絕緣層之間增加一層居間電極層，形成另一種五層結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機(jī)，使居間電極層與第一高分子聚合物絕緣層和/或居間電極層與第二高分子聚合物絕緣層構(gòu)成摩擦界面，在這種情況下，構(gòu)成摩擦界面的聚合物絕緣層采用上述方法制備得到的聚二甲基硅氧烷膜。

上述的摩擦發(fā)電機(jī)對第一電極300和第二電極303采用的材料沒有特殊要求，凡是能夠形成導(dǎo)電層的材料都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述的摩擦發(fā)電機(jī)中，至少有一層采用本發(fā)明的聚二甲基硅氧烷膜，對于不采用本發(fā)明的聚二甲基硅氧烷膜的其它高分子聚合物絕緣層而言，其使用的材料選自聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維 素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維素海綿薄膜、再生海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚異丁烯薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚縮聚物薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜和丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一種。

采用本發(fā)明方法制備的聚二甲基硅氧烷膜的摩擦發(fā)電機(jī)的輸出性能得到大幅提高，與未采用本發(fā)明方法制備的聚二甲基硅氧烷膜的摩擦發(fā)電機(jī)相比，負(fù)向電壓可提高50％以上，電流提高30％以上，充電電壓達(dá)10V時的充電時間縮短了40％。

實(shí)施例

下面通過具體的實(shí)施例來闡述本發(fā)明的實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，這不應(yīng)被理解為對本發(fā)明權(quán)利要求范圍的限制。下述實(shí)施例中所使用的材料均可常規(guī)市購獲得。下述實(shí)施例中所使用的裝置均為常規(guī)裝置。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，按照常規(guī)方法和條件，或按照商品說明書選擇。

實(shí)施例1

1.制備聚二甲基硅氧烷膜

在聚二甲基硅氧烷(道康寧)中添加固化劑(道康寧184)，攪拌均勻得到混合物，其中，聚二甲基硅氧烷與固化劑的質(zhì)量比是10:1。向混合物中摻雜粒徑為200nm-500nm的二氧化硅顆粒，摻雜量為7％(重量)，混合均勻得到聚二甲基硅氧烷漿料。將聚二甲基硅氧烷漿料刮涂在模板上，在真空狀態(tài)下對膜進(jìn)行脫氣以去除膜中氣泡，隨后，在干燥箱中70℃烘2小時。然后，將膜浸泡在濃度為1mol/L的氨水中800秒。隨后用去離子水將膜清洗干凈，并用惰性氣體將其吹干，從而得到聚二甲基硅氧烷膜，厚度為300μm。

2.摩擦發(fā)電機(jī)的制備

采用上述聚二甲基硅氧烷膜作為第一高分子聚合物絕緣層301，其一側(cè)表面上鍍厚度100nm的鋁薄膜，該鋁薄膜即為第一電極層300。采用厚度為 300μm聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為第二高分子聚合物絕緣層302，采用厚度100μm的銅箔作為第二電極層303，按照第一電極層300、第一高分子聚合物絕緣層301、第二高分子聚合物絕緣層302和第二電極層303的順序疊放各層，得到摩擦發(fā)電機(jī)1-1#。該摩擦發(fā)電機(jī)的邊緣用普通膠布密封。

實(shí)施例2

1.制備聚二甲基硅氧烷膜

在聚二甲基硅氧烷(道康寧)中添加固化劑(道康寧184)，攪拌均勻得到混合物，其中，聚二甲基硅氧烷與固化劑的質(zhì)量比是1:1。向混合物中摻雜粒徑為10nm-300nm的二氧化硅顆粒，摻雜量為5％(重量)，混合均勻得到聚二甲基硅氧烷漿料。將聚二甲基硅氧烷漿料刮涂在模板上，在真空狀態(tài)下對膜進(jìn)行脫氣以去除膜中氣泡，隨后，在干燥箱中50℃烘5小時。然后，將膜浸泡在濃度為0.01mol/L的氨水中1000秒。隨后用去離子水將膜清洗干凈，并用惰性氣體將其吹干，從而得到聚二甲基硅氧烷膜，厚度為300μm。

2.摩擦發(fā)電機(jī)的制備

采用上述聚二甲基硅氧烷膜作為第一高分子聚合物絕緣層301，其一側(cè)表面上鍍厚度100nm的鋁薄膜，該鋁薄膜即為第一電極層300。采用厚度為300μm聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為第二高分子聚合物絕緣層302，采用厚度100μm的銅箔作為第二電極層303，按照第一電極層300、第一高分子聚合物絕緣層301、第二高分子聚合物絕緣層302和第二電極層303的順序疊放各層，得到摩擦發(fā)電機(jī)1-2#。該摩擦發(fā)電機(jī)的邊緣用普通膠布密封。

實(shí)施例3

1.制備聚二甲基硅氧烷膜

在聚二甲基硅氧烷(道康寧)中添加固化劑(道康寧184)，攪拌均勻得到混合物，其中，聚二甲基硅氧烷與固化劑的質(zhì)量比是20:1。向混合物中摻雜粒徑為500nm-700nm的二氧化硅顆粒，摻雜量為8％(重量)，混合均勻得到聚二甲基硅氧烷漿料。將聚二甲基硅氧烷漿料刮涂在模板上，在真空狀態(tài)下對膜進(jìn)行脫氣以去除膜中氣泡，隨后，在干燥箱中100℃烘2小時。然后，將膜浸泡在濃度為10mol/L的氫氧化鈉溶液中10秒。隨后用去離子水將膜清洗干凈，并用惰性氣體將其吹干，從而得到聚二甲基硅氧烷膜，厚度為300μm。

2.摩擦發(fā)電機(jī)的制備

采用上述聚二甲基硅氧烷膜作為第一高分子聚合物絕緣層301，其一側(cè)表面上鍍厚度100nm的鋁薄膜，該鋁薄膜即為第一電極層300。采用厚度為300μm聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為第二高分子聚合物絕緣層302，采用厚度100μm的銅箔作為第二電極層303，按照第一電極層300、第一高分子聚合物絕緣層301、第二高分子聚合物絕緣層302和第二電極層303的順序疊放各層，得到摩擦發(fā)電機(jī)1-3#。該摩擦發(fā)電機(jī)的邊緣用普通膠布密封。

對比例

1.制備聚二甲基硅氧烷膜

在聚二甲基硅氧烷(道康寧)中添加固化劑(道康寧184)，攪拌均勻得到聚二甲基硅氧烷漿料，其中，聚二甲基硅氧烷與固化劑的質(zhì)量比是10:1。將聚二甲基硅氧烷漿料刮涂在模板上，在真空狀態(tài)下對膜進(jìn)行脫氣以去除膜中氣泡，隨后，在干燥箱中70℃烘2小時，從而得到聚二甲基硅氧烷膜，厚度為290μm。

2.摩擦發(fā)電機(jī)的制備

采用上述聚二甲基硅氧烷膜作為第一高分子聚合物絕緣層301，其一側(cè)表面上鍍厚度100nm的鋁薄膜，該鋁薄膜即為第一電極層300。采用厚度為300μm聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為第二高分子聚合物絕緣層302，采用厚度100μm的銅箔作為第二電極層303，按照第一電極層300、第一高分子聚合物絕緣層301、第二高分子聚合物絕緣層302和第二電極層303的順序疊放各層，得到摩擦發(fā)電機(jī)2#。該摩擦發(fā)電機(jī)的邊緣用普通膠布密封。

對實(shí)施例1制備的摩擦發(fā)電機(jī)1-1#和對比例制備的摩擦發(fā)電機(jī)2#進(jìn)行電壓、電流和充電測試，測試壓力為50N，測試溫度為25℃，測試濕度為30％。結(jié)果顯示，摩擦發(fā)電機(jī)1-1#和摩擦發(fā)電機(jī)2#的正向電壓基本相同，均為440V，而相比于摩擦發(fā)電機(jī)2#的負(fù)向電壓(-344V)，摩擦發(fā)電機(jī)1-1#負(fù)向電壓(-520V)提高了約50％。經(jīng)測試，摩擦發(fā)電機(jī)1-1#的電流為3μA，摩擦發(fā)電機(jī)2#的電流為2.25μA，相比于摩擦發(fā)電機(jī)2#，摩擦發(fā)電機(jī)1-1#的電流提 高了30％。圖3顯示了樣品充電性能測試結(jié)果，曲線1和曲線2分別表示摩擦發(fā)電機(jī)1-1#和摩擦發(fā)電機(jī)2#的結(jié)果，從圖中可以看出，充電電壓達(dá)到10V時，摩擦發(fā)電機(jī)1-1#的充電時間為58.8秒，摩擦發(fā)電機(jī)2#的充電時間為95.9秒，摩擦發(fā)電機(jī)1-1#的電容充電性能得到了明顯提高，充電時間縮短了40％。從對摩擦發(fā)電機(jī)1-1#和摩擦發(fā)電機(jī)2#的比較來看，使用了本發(fā)明方法制備的PDMS膜的摩擦發(fā)電機(jī)的輸出性能得到了大幅度提高。