CN107022296A

CN107022296A - 一种基于摩擦起电的能量收集涂层材料及其应用

Info

Publication number: CN107022296A
Application number: CN201710225554.5A
Authority: CN
Inventors: 王道爱; 郑有斌; 周峰
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2017-08-08
Anticipated expiration: 2037-04-07
Also published as: CN107022296B

Abstract

本发明公开了一种基于摩擦起电的能量收集涂层材料，该涂层材料是由以下质量百分比的组分组成：含氟丙烯酸聚氨酯预聚物 20~90%、聚氨酯丙烯酸酯预聚物 0.01~70%、甲基丙烯酸酯类单体或预聚物 0.01~50%、光引发剂2%~5%、助剂 0.1%~3%；含氟丙烯酸聚氨酯预聚物通过以下方法制备得到：将全氟醇和含羟基丙烯酸酯溶于除水甲苯或二甲苯中，在40~70°C加入含有阻聚剂的二异氰酸酯，然后加入催化剂反应3~4小时；聚氨酯丙烯酸酯预聚物通过以下方法制备得到：将全氟醇溶于除水甲苯或二甲苯中，在40~70°C加入含有阻聚剂的异氰酸酯丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸异氰基乙酯，然后加入催化剂反应3~5小时。本发明所述能量收集涂层材料喷涂、刷涂或者旋涂在导电材料表面即得能量收集器件。

Description

一种基于摩擦起电的能量收集涂层材料及其应用

技术领域

本发明属于新能源材料领域，涉及一种基于摩擦起电的能量收集涂层材料及其应用。

背景技术

随着不可再生能源的日益枯竭，能源问题已成为影响和制约社会发展的重要因素。开发利用各种可再生的清洁能源，实现能源的可持续发展，是解决能源问题的重要途径。除了水力、风能、生物质能、太阳能等常见形式的可再生能源，在自然界中还蕴藏着丰富的摩擦能源。摩擦起电是一种很常见的物理现象，生活中无时无刻不存在着摩擦，其中所蕴含的能量十分可观。如果能够将这些丰富的摩擦能收集利用，不仅能够极大的缓解能源压力，而且可以产生巨大的经济效益。

摩擦能源的存在形式多种多样，其能量分布也较为分散，因此很难将其收集起来并加以利用。研究证明利用摩擦起电和静电感应原理制作的摩擦发电机能够有效收集摩擦能。中国专利CN104052327A、CN202818150U、CN205051599 U、CN203445807U等通过不同的结构设计实现了多种形式摩擦能的收集，其所使用的摩擦材料都是生活中常见的聚合物。这些材料虽然廉价易得，但由于都是成品薄膜，无论是材料改性还是不规则表面大面积施工，都会受到很大的限制，不利于其大规模应用。同时，这些专利中所用材料的表面均有纳米结构，制备成本高，在实际使用过程中易磨损，并且环境中的灰尘颗粒容易嵌入纳米结构中，影响其发电效率。因此，为了满足实际应用的需求，可大面积施工的涂层类摩擦层材料的研发势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于摩擦起电的能量收集涂层材料及其应用。

本发明所述涂层材料可以进行大规模涂装，工艺简单，并且可用于不规则表面施工。此涂层材料能够直接喷涂或刷涂在电极表面，作为摩擦层材料而构建基于摩擦起电的能量收集器件，用于收集环境中的摩擦能。

一种基于摩擦起电的能量收集涂层材料，其特征在于该涂层材料是由以下质量百分比的组分组成：含氟丙烯酸聚氨酯预聚物 20~90%、聚氨酯丙烯酸酯预聚物 0.01~70%、甲基丙烯酸酯类单体或预聚物 0.01~50%、光引发剂2%~5%、助剂 0.1%~3%；所述含氟丙烯酸聚氨酯预聚物通过以下方法制备得到：将全氟醇和含羟基丙烯酸酯溶于除水甲苯或二甲苯中，在40~70°C加入含有阻聚剂的二异氰酸酯，然后加入催化剂反应3~4小时；所述聚氨酯丙烯酸酯预聚物通过以下方法制备得到：将全氟醇溶于除水甲苯或二甲苯中，在40~70°C加入含有阻聚剂的异氰酸酯丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸异氰基乙酯，然后加入催化剂反应3~5小时。

所述含氟丙烯酸聚氨酯预聚物的制备方法中，二异氰酸酯中异氰酸酯基总量与全氟醇和含羟基丙烯酸酯中所含羟基总量的摩尔比为1: 1~1.1；所述阻聚剂为2,6-二叔丁基对甲酚，其用量为二异氰酸酯质量的0.1% ~ 0.2%；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡，用量为二异氰酸酯、全氟醇和含羟基丙烯酸酯质量之和的0.05%~0.1%。

所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯中的一种或几种的混合物。

所述含羟基丙烯酸酯为甲基丙烯酸-β-羟乙酯、甲基丙烯酸-β-羟丙酯、丙烯酸-β-羟乙酯、丙烯酸-β-羟丙酯中的一种或几种的混合物。

所述聚氨酯丙烯酸酯预聚物的制备方法中，异氰酸酯丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸异氰基乙酯中的异氰酸酯基总量与全氟醇所含羟基总量的摩尔比为1.2 ~ 1 :1；所述阻聚剂为2,6-二叔丁基对甲酚，其用量为含异氰酸基团化合物质量的0.1%~0.2%；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡，用量为含异氰酸基团化合物与全氟醇质量总和的0.05%~0.1%。

所述全氟醇为全氟烷基乙醇、全氟十醇、全氟丁醇、全氟-1-辛醇、2-全氟辛基乙醇、1,1,2,2-四氢全氟十二醇、1H,1H,2H,2H-全氟己-1-醇、1,1,2,2-四氢全氟十四醇、1H,1H-全氟-1-十二(烷)醇中的一种或几种的混合物。

所述甲基丙烯酸酯类单体或预聚物为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸-β-羟乙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸环己酯、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种或几种的混合物。

所述光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、苯甲酰甲酸甲酯中的一种或多种的混合物。

所述助剂为消泡剂和/或流平剂。

将如上所述基于摩擦起电的能量收集涂层材料喷涂、刷涂或者旋涂于导电材料上并紫外光固化2~5分钟，即得涂层摩擦电能量收集器件。

本发明有益效果：

1、本发明提供的涂层作为摩擦层材料，在材料改性和不规则表面大面积施工方面都有很好的可操作性，使得摩擦层材料在实际施工过程中可以根据需要进行调整，尤其在大面积不规则表面施工时操作简单，减少了摩擦层材料涂装的成本和施工时间。

2、本发明提供的涂层材料具有很好的疏水性和自清洁性能，并且材料表面不含有微纳米结构，在实际应用中不用担心灰尘颗粒嵌入材料结构中，从而影响发电效率。即使表面布满灰尘，因涂层具有较好的自清洁性能，在雨水的冲刷下即可除掉表面灰尘，使得器件能够保持较好的发电效率。

3、本发明提供的涂层材料具有很好的透光性，能够喷涂或刷涂在窗户玻璃表面，作为透明能量收集涂层使用。同时该涂层具有较好的耐紫外光辐射的性能，具有很好的使用耐久性。

附图说明

图1为本发明提供的基于摩擦起电的能量收集涂层实施例1的器件输出电压曲线。

图2为本发明提供的基于摩擦起电的能量收集涂层实施例2的器件输出电压曲线。

具体实施方式

实施例1

将1g全氟丁醇、2.5g全氟十醇、1.3g甲基丙烯酸-β-羟乙酯、50mL除水甲苯加入三口烧瓶中充分搅拌，并加热至50°C。将0.87g甲苯二异氰酸酯、1.11g 异佛尔酮二异氰酸酯和0.003g 2,6-二叔丁基对甲酚混合均匀，并缓慢滴加入三口烧瓶中。待滴加完成后，加入0.005g二月桂酸二丁基锡，反应3~4小时，得到含氟丙烯酸聚氨酯预聚物Ⅰ。将20g全氟-1-辛醇溶于150mL除水甲苯中，加热至60°C。将0.017g 2,6-二叔丁基对甲酚和8.5g甲基丙烯酸异氰基乙酯混合均匀，并缓慢滴加，随后加入0.025g二月桂酸二丁基锡，反应3~5小时，得到聚氨酯丙烯酸酯预聚物Ⅱ。利用旋转蒸发仪将预聚物Ⅰ和预聚物Ⅱ中的溶剂去除，并取50份预聚物Ⅰ、5份预聚物Ⅱ、40份甲基丙烯酸六氟丁酯、2份2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、2份DowCorning 163消泡剂及1份Dow Corning 57流平剂在15~40°C下调配均匀，即得到产品。

将产品旋涂于导电聚合物薄膜上并紫外光固化3~5分钟，得到涂层摩擦电能量收集器件。

实施例2

将20g全氟-1-辛醇、5.8g丙烯酸-β-羟乙酯、50mL除水甲苯加入三口烧瓶中充分搅拌，并加热至55°C。将8.4g六亚甲基二异氰酸酯和0.017g 2,6-二叔丁基对甲酚混合均匀，并缓慢滴加入三口烧瓶中。待滴加完成后，加入0.02g二月桂酸二丁基锡，反应3~4小时，得到含氟丙烯酸聚氨酯预聚物Ⅰ。将5g全氟丁醇和12.5g全氟十醇溶于150mL除水甲苯中，加热至60°C。将0.012g 2,6-二叔丁基对甲酚和7.73g异氰酸酯丙烯酸乙酯混合均匀，并缓慢滴加，随后加入0.015g二月桂酸二丁基锡，反应3~5小时，得到聚氨酯丙烯酸酯预聚物Ⅱ。利用旋转蒸发仪将预聚物Ⅰ和预聚物Ⅱ中的溶剂去除，并取80份预聚物Ⅰ、5份预聚物Ⅱ、10份甲基丙烯酸甲酯、2份2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮及3份Dow Corning 57流平剂在15~40°C下调配均匀，即得到产品。

将产品喷涂于透明导电玻璃上并紫外光固化2~5分钟，得到涂层摩擦电能量收集器件。

实施例3

将2g全氟丁醇、1.3g甲基丙烯酸-β-羟乙酯、50mL除水甲苯加入三口烧瓶中充分搅拌，并加热至50°C。将1.75g甲苯二异氰酸酯和0.002g 2,6-二叔丁基对甲酚混合均匀，并缓慢滴加入三口烧瓶中。待滴加完成后，加入0.003g二月桂酸二丁基锡，反应3~4小时，得到含氟丙烯酸聚氨酯预聚物Ⅰ。将25g全氟十醇溶于150mL除水甲苯中，加热至60°C。将0.017g 2,6-二叔丁基对甲酚和8.5g甲基丙烯酸异氰基乙酯混合均匀，并缓慢滴加，随后加入0.025二月桂酸二丁基锡，反应3~5小时，得到聚氨酯丙烯酸酯预聚物Ⅱ。利用旋转蒸发仪将预聚物Ⅰ和预聚物Ⅱ中的溶剂去除，并取25份预聚物Ⅰ、60份预聚物Ⅱ、10份甲基丙烯酸六氟丁酯、3份2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮及2份Dow Corning 163消泡剂在15~40°C下调配均匀，即得到产品。

将产品喷涂于不锈钢板上并紫外光固化2~5分钟，得到涂层摩擦电能量收集器件。

实施例4

将10g全氟-1-辛醇、5g全氟丁醇、5.8g丙烯酸-β-羟乙酯、50mL除水甲苯加入三口烧瓶中充分搅拌，并加热至55°C。将5.55g异佛尔酮二异氰酸酯、4.2g六亚甲基二异氰酸酯和0.017g 2,6-二叔丁基对甲酚混合均匀，并缓慢滴加入三口烧瓶中。待滴加完成后，加入0.02g二月桂酸二丁基锡，反应3~4小时，得到含氟丙烯酸聚氨酯预聚物Ⅰ。将5g全氟丁醇和12.5g全氟十醇溶于150mL除水甲苯中，加热至60°C。将0.02g 2,6-二叔丁基对甲酚和7.73g异氰酸酯丙烯酸乙酯混合均匀，并缓慢滴加，随后加入0.015g二月桂酸二丁基锡，反应3~5小时，得到聚氨酯丙烯酸酯预聚物Ⅱ。利用旋转蒸发仪将预聚物Ⅰ和预聚物Ⅱ中的溶剂去除，并取40份预聚物Ⅰ、40份预聚物Ⅱ、15份甲基丙烯酸甲酯、2份2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮及3份Dow Corning 163消泡剂在15~40°C下调配均匀，即得到产品。

将产品刷涂于马口铁上并紫外光固化2~4分钟，得到涂层摩擦电能量收集器件。

Claims

1.一种基于摩擦起电的能量收集涂层材料，其特征在于该涂层材料是由以下质量百分比的组分组成：含氟丙烯酸聚氨酯预聚物 20~90%、聚氨酯丙烯酸酯预聚物 0.01~70%、甲基丙烯酸酯类单体或预聚物 0.01~50%、光引发剂2%~5%、助剂 0.1%~3%；所述含氟丙烯酸聚氨酯预聚物通过以下方法制备得到：将全氟醇和含羟基丙烯酸酯溶于除水甲苯或二甲苯中，在40~70°C加入含有阻聚剂的二异氰酸酯，然后加入催化剂反应3~4小时；所述聚氨酯丙烯酸酯预聚物通过以下方法制备得到：将全氟醇溶于除水甲苯或二甲苯中，在40~70°C加入含有阻聚剂的异氰酸酯丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸异氰基乙酯，然后加入催化剂反应3~5小时。

2.如权利要求1所述的涂层材料，其特征在于所述含氟丙烯酸聚氨酯预聚物的制备方法中，二异氰酸酯中异氰酸酯基总量与全氟醇和含羟基丙烯酸酯中所含羟基总量的摩尔比为1: 1~1.1；所述阻聚剂为2,6-二叔丁基对甲酚，其用量为二异氰酸酯质量的0.1% ~0.2%；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡，用量为二异氰酸酯、全氟醇和含羟基丙烯酸酯质量之和的0.05%~0.1%。

3.如权利要求1或2所述的涂层材料，其特征在于所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯中的一种或几种的混合物。

4.如权利要求1或2所述的涂层材料，其特征在于所述含羟基丙烯酸酯为甲基丙烯酸-β-羟乙酯、甲基丙烯酸-β-羟丙酯、丙烯酸-β-羟乙酯、丙烯酸-β-羟丙酯中的一种或几种的混合物。

5.如权利要求1所述的涂层材料，其特征在于所述聚氨酯丙烯酸酯预聚物的制备方法中，异氰酸酯丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸异氰基乙酯中的异氰酸酯基总量与全氟醇所含羟基总量的摩尔比为1.2 ~ 1 :1；所述阻聚剂为2,6-二叔丁基对甲酚，其用量为含异氰酸基团化合物质量的0.1%~0.2%；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡，用量为含异氰酸基团化合物与全氟醇质量总和的0.05%~0.1%。

6.如权利要求1、2或5所述的涂层材料，其特征在于所述全氟醇为全氟烷基乙醇、全氟十醇、全氟丁醇、全氟-1-辛醇、2-全氟辛基乙醇、1,1,2,2-四氢全氟十二醇、1H,1H,2H,2H-全氟己-1-醇、1,1,2,2-四氢全氟十四醇、1H,1H-全氟-1-十二(烷)醇中的一种或几种的混合物。

7.如权利要求1所述的涂层材料，其特征在于所述甲基丙烯酸酯类单体或预聚物为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸-β-羟乙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸环己酯、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种或几种的混合物。

8.如权利要求1所述的涂层材料，其特征在于所述光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、苯甲酰甲酸甲酯中的一种或多种的混合物。

9.如权利要求1所述的涂层材料，其特征在于所述助剂为消泡剂和/或流平剂。

10.将权利要求1所述基于摩擦起电的能量收集涂层材料喷涂、刷涂或者旋涂于导电材料上并紫外光固化2~5分钟，即得涂层摩擦电能量收集器件。