本實(shí)用新型涉及能量收集器，尤其是涉及一種基于有序纖維基膜的IPMC能量收集器。
背景技術(shù)：
離子聚合物金屬?gòu)?fù)合物(IPMC)是在全氟磺酸樹(shù)脂(Nafion)表面鍍上金屬鉑電極，形成一種“三明治”結(jié)構(gòu)的智能材料；IPMC在一定頻率(<100HZ)的負(fù)載變形下，會(huì)在其厚度方向產(chǎn)生電壓和電流。
基于IPMC這種力電輸出特性，國(guó)內(nèi)外研究人員已開(kāi)展IPMC的能量收集應(yīng)用研究，目前的研究主要集中于探索適合的能量收集模式，如美國(guó)紐約大學(xué)Porfiri[1]課題組將IPMC貼于柔性旗擺上，通過(guò)水流帶動(dòng)旗幟擺動(dòng)使IPMC產(chǎn)生變形來(lái)研究IPMC的能量輸出特性，但是目前IPMC功率輸出普遍較低，因此研究學(xué)者們致力于如何提高IPMC的能量輸出。
現(xiàn)有的IPMC基膜材料主要選用全氟磺酸樹(shù)脂基膜，該基膜主要通過(guò)流延工藝和澆鑄工藝進(jìn)行制備。
參考文獻(xiàn)：
[1]Giacomello A.,Porfiri M.Energy harvesting from flutter instabilities of heavy flags in water through ionic polymer metal composites[C]//SPIE Smart Structures and Materials Nondestructive Evaluation and Health Monitoring.International Society for Optics and Photonics,2011:797608-7976089。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型的目的是提供一種基于有序纖維基膜的離子聚合物金屬?gòu)?fù)合物(IPMC)能量收集器。
本實(shí)用新型設(shè)有全氟磺酸樹(shù)脂(Nafion)有序纖維柱、聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性殼體、金屬電極和陽(yáng)離子溶液。
所述全氟磺酸樹(shù)脂(Nafion)有序纖維柱外部包裹聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性殼體，聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性殼體外形呈階梯狀，全氟磺酸樹(shù)脂(Nafion)有序纖維柱內(nèi)部充滿離子溶液，全氟磺酸樹(shù)脂(Nafion)有序纖維柱內(nèi)部上下兩端分別與金屬電極相連。
當(dāng)全氟磺酸樹(shù)脂(Nafion)有序纖維柱受壓變形時(shí)，纖維柱內(nèi)陽(yáng)離子發(fā)生遷移，導(dǎo)致纖維柱內(nèi)局部陽(yáng)離子濃度發(fā)生改變，在纖維柱兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。
所述彈性殼體材料包裹于纖維柱四周，彈性殼體可反復(fù)變形且不易損壞，解決了Nafion纖維柱變形回彈性差的問(wèn)題。
所述金屬電極與纖維柱兩端直接相連，用于外部電路的連接，通過(guò)導(dǎo)線連接外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)能量收集過(guò)程。
現(xiàn)有的全氟磺酸樹(shù)脂基膜的內(nèi)部通道錯(cuò)綜復(fù)雜不利于離子的傳輸，因此本實(shí)用新型提出采用有序纖維基膜制備IPMC能量收集器，利于IPMC內(nèi)部離子的傳輸，提高IPMC的能量輸出。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：
(1)相比于傳統(tǒng)的IPMC器件，輸出功率提高。本實(shí)用新型通過(guò)使Nafion基膜纖維化，使離子遷移具有方向性，縮短了陽(yáng)離子的遷移路徑，提高了基膜的質(zhì)子電導(dǎo)率；
(2)由于IPMC工作過(guò)程需要水分，現(xiàn)有IPMC能量收集應(yīng)用主要局限在水環(huán)境中，本實(shí)用新型采用纖維封裝方式，實(shí)現(xiàn)IPMC能量收集在空氣環(huán)境中的應(yīng)用；
(3)相比于傳統(tǒng)的IPMC器件，由于采用彈性殼體，本實(shí)用新型可以承受較大負(fù)載力，負(fù)載頻率也得到提高；
(4)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；可用作微型能量收集裝置，環(huán)保、無(wú)噪聲、便攜。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型基于有序纖維基膜的IPMC能量收集器實(shí)施例如圖1所示。
本實(shí)用新型設(shè)有Nafion有序纖維柱1、PDMS彈性殼體2、鉑電極3以及氯化鋰溶液4。能量收集器中心為Nafion有序纖維柱1，纖維柱直徑4mm，高5mm，Nafion纖維柱外部包裹PDMS彈性殼體2，彈性殼體2外形呈階梯狀，總高5mm，階梯上端直徑6mm，下端直徑9mm，下端高3mm。纖維柱1上下兩端與鉑電極3相連，內(nèi)部充滿氯化鋰溶液4。鉑電極3與纖維柱1上下兩端直接相連，通過(guò)導(dǎo)線連接外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)能量收集。
所述的Nafion有序纖維柱1采用靜電紡絲方法制得。電紡溶液為Nafion與聚氧化乙烯(PEO)的共混溶液，其濃度為99％，在電壓4kV、極間距50mm、供液速度150μl/h的條件下，電紡制得Nafion有序纖維基膜。
所述的PDMS彈性殼體2采用質(zhì)量比為25︰1的基體液與固化劑混合物，澆筑形成纖維柱的彈性外殼，此比例下制成的PDMS殼體彈性適中，工作時(shí)驅(qū)動(dòng)外力相對(duì)較小。同時(shí)，由于PDMS本身是疏水材料，可以保持纖維柱中水分減緩流失。
所述的鉑電極3通過(guò)化學(xué)鍍的方法，將鉑氨溶液在纖維柱兩端還原生成鉑電極，由于鉑電極3直接通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成，保證了鉑電極3與纖維柱1的良好接觸且不易脫落。二次化學(xué)還原鍍的過(guò)程如下：
1、主化學(xué)還原鍍：
1)超聲清洗：將PDMS彈性殼體2包裹的Nafion纖維柱1超聲清洗30min，以去除纖維柱端面上附著的雜質(zhì)。
2)浸泡鉑銨溶液：配制0.01mol/L的[Pt(NH3)4]Cl2溶液(摩爾質(zhì)量為334g/mol)，稱取32mg鉑銨粉末，將鉑銨粉末溶解到去離子水中，配制成10ml鉑銨溶液。將Nafion纖維柱1置于鉑銨溶液中浸泡24h。
3)配制還原劑：稱取2g NaBH4晶體，配制成40ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的NaBH4溶液。
4)主化學(xué)鍍過(guò)程：將恒溫水浴鍋預(yù)熱到40℃。用鑷子夾取纖維柱置于含180ml去離子水的燒杯中，向燒杯中滴加1ml氨水使溶液呈弱堿性，使用電動(dòng)攪拌器低速攪拌，并同時(shí)進(jìn)行水浴加熱。每隔30min向燒杯中滴加2ml NaBH4溶液并同時(shí)升高溫度5℃，直至溫度升高到60℃。當(dāng)溫度升高到60℃時(shí)，一次性滴加20ml NaBH4溶液，至少保持2h反應(yīng)時(shí)間，使Nafion纖維中的Pt離子能夠充分還原出來(lái)沉積在Nafion纖維柱1的兩端。
5)超聲清洗：將完成主還原反應(yīng)鍍的Nafion纖維柱1放入稀硫酸溶液中浸泡1h，超聲清洗30min。
2、次化學(xué)還原反應(yīng)鍍：稱取20mg[Pt(NH3)4]Cl2粉末，將其溶解到60ml去離子水中，配制成鉑銨溶液，并向溶液中滴加0.5ml氨水。配制40ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的氫氯羥胺(NH2OH·HCl)溶液和20ml體積分?jǐn)?shù)為20％的水合肼(N2H4·1.5H2O)溶液。將完成主化學(xué)還原反應(yīng)的纖維柱1放入到40℃的鉑銨溶液中，使用電動(dòng)攪拌器低速攪拌。每隔30min向溶液中加入2ml氫氯羥胺溶液和1ml水合肼溶液，并升高溫度5℃，直至溫度升高到60℃。最后一次加入20ml氫氯羥胺溶液和10ml水合肼溶液，在60℃反應(yīng)2h，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，先將器件在稀硫酸中浸泡1h，再在去離子水中超聲清洗30min，去除雜質(zhì)。
所述的能量收集器中的氯化鋰溶液4通過(guò)將電極制備完成后的能量收集器浸泡入濃度為1mol/L氯化鋰溶液，靜置24h后獲得。通過(guò)上述方法形成的IPMC能量收集器，當(dāng)PDMS彈性殼體2兩端受到外力作用時(shí)，彈性殼體2發(fā)生形變，使Nafion纖維柱1體積發(fā)生變化，沿鋰離子沿纖維柱1方向發(fā)生遷移，進(jìn)而在IPMC能量收集器兩端產(chǎn)生電壓；鉑電極3通過(guò)導(dǎo)線連接在外部設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)能量收集與儲(chǔ)存。