一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜、其制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜、其制备方法及应用，该可拉伸复合膜包含脂肪酸、SEBS两种材料，通过操作简单、易于大规模工业化生产的溶液刮涂工艺制备。其中，与构成SEBS的功能基团相比，脂肪酸中的COOH基团具有较高的电负性；脂肪酸的引入可以改变SEBS薄膜的摩擦电极性和电荷保持能力，从而大大提高摩擦纳米发电机的输出性能。与基于纯SEBS可拉伸膜摩擦电对的摩擦纳米发电机相比，本发明开发的基于脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜摩擦电对的摩擦纳米发电机的输出性能最高可达其3.28倍。此外，本发明开发的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜还具有优异的柔性、拉伸回复性、透明性。

权利要求

1.一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的制备方法，其特征在于，制备过程包括以下步骤：

（1）将SEBS溶于溶剂甲苯中， SEBS占SEBS和甲苯总重的15 wt.% 30 wt.%；之后向上述~

溶液中加入不同质量的脂肪酸，混合均匀后即得到制备复合膜的铸膜液；其中，脂肪酸的含量为膜基材SEBS质量的0.5 wt.% 3.0 wt.%；

~

（2）采用刮膜棒在玻璃基板上刮涂制膜，室温干燥后，即得相应的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜。

2.如权利要求1所述的具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的制备方法，其特征在于，所述脂肪酸为正辛酸、正癸酸、月桂酸、油酸、软脂酸或硬脂酸；所述SEBS为购置于美国科腾公司的牌号为G1650的氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物。

3.如权利要求1所述的具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的制备方法，其特征在于，刮膜棒的规格为100μm、250μm、500μm和1000μm。

4.权利要求1至3任一项所述的制备方法制得的具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜。

5.如权利要求4所述的具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜作为摩擦纳米发电机吸电子层中的应用，其特征在于，所述的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜作为摩擦纳米发电机吸电子层，与摩擦电正层相对放置，各自的背表面或者仅脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的背表面粘附上电极，进而制成相应的摩擦纳米发电机，所述脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的背表面与电极之间，包含一个由商用双面PI胶带组成的介电层。

6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述摩擦电正层为聚氨酯(PU)弹性体、醋酸纤维素、乙基纤维素、聚乙二醇己二酸酯、蚕丝、聚酰胺(PA)以及金属铜或铝。

7.如权利要求5或6所述的应用，其特征在于：所述的摩擦纳米发电机有四种工作模式，分别为垂直接触‑分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式。

说明书

一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜、其制

备方法及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，具体涉及一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜、其制备方法及应用。

背景技术

[0002] 随着物联网(IoT)技术的高速发展，基于摩擦起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机逐渐展现出在收集随机、低频环境机械能为分布式传感器件供电方面的潜在应
用。然而，作为能量收集器的能够直接将环境机械能转化为电能的摩擦纳米发电机，其实际
应用在很大程度上取决于其自身的输出性能；因此从扩展其实际应用领域的角度来看，有
必要进一步提高摩擦纳米发电机的输出性能。

[0003] 相关研究工作(如Nano Energy 39 (2017) 673‑683，Nano Energy 75 (2020) 104894，Adv. Funct. Mater. 30 (2020) 2004714, Nano Energy 86 (2021) 106128，
Nano Energy 69 (2020) 104435)表明：通过扩大组成摩擦纳米发电机的摩擦电对之间摩
擦电极性的差异，能够有效地提高摩擦纳米发电机的输出性能。另外，专利CN 109135288 B
公开了一种用于提高摩擦纳米发电机性能的PDMS‑PTFE透明薄膜及其制备方法，通过改性
提高了PDMS膜表面的摩擦电荷转移，进而提高了纳米发电机摩擦层的输出性能。专利CN 
112063184 B公布了一种提升蛋白膜摩擦发电性能的方法，通过改变蛋白质结构来改善其
作为摩擦纳米发电机给电子层的性能，进而提高蛋白膜的摩擦电输出性能。这也进一步证
实了增加摩擦电材料的极性能够进一步提高摩擦纳米发电机的输出性能。

[0004] 在摩擦纳米发电机的实际应用中，除输出性能以外，柔性、可拉伸性、透明性也是其应用中的关键因素。SEBS作为热塑性弹性体的一种，具有优异的柔性和拉伸回复性。然
而，由于其摩擦电性能较差，迄今为止，将SEBS作为摩擦电材料的摩擦纳米发电机鲜有报
道。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的关键技术问题是提供一种具有增强摩擦电输出的和优异的柔性、拉伸回复性以及透明性的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜。通过操作简单、易于大规模工业
化生产的溶液刮涂工艺将脂肪酸引入到热塑性弹性体SEBS基质中，改变SEBS薄膜的摩擦电
极性和电荷保持能力，改善其作为摩擦纳米发电机吸电子层的性能，提高其作为摩擦电材
料的输出性能。

[0006] 基于上述目的，本发明采取的技术方案如下：

[0007] 一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的制备方法，制备过程包括以下步骤：

[0008] （1）将SEBS溶于溶剂甲苯中，SEBS占SEBS和甲苯总重的15 wt.% 30 wt.%；之后向~
上述溶液中加入不同质量的脂肪酸，混合均匀后即得到制备复合膜的铸膜液；其中，脂肪酸
的含量为膜基材SEBS质量的0.5 wt.% 3.0 wt.%；
~

[0009] （2）采用刮膜棒在玻璃基板上刮涂制膜，室温干燥后，即得相应的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜。

[0010] 进一步地，所述脂肪酸包括但不局限于正辛酸、正癸酸、月桂酸、油酸、软脂酸、硬脂酸；其中，脂肪酸在复合膜中的占比为膜基材SEBS质量的0.5 wt.% 3.0 wt.%。
~

[0011] 进一步地，所述SEBS为购置于美国科腾公司的牌号为G1650的氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物。

[0012] 其中，刮膜棒的规格包括但不限于100μm、250μm、250μm和1000μm。

[0013] 上述制备方法制得的具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜。

[0014] 进一步地，所述脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜作为摩擦纳米发电机吸电子层中的应用，所述的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜作为摩擦纳米发电机吸电子层，与摩擦电正层相对放
置，各自的背表面或者仅脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的背表面粘附上电极，进而制成相应的
摩擦纳米发电机；所述脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的背表面与电极之间，包含一个由商用双
面PI胶带组成的介电层。

[0015] 其中，所述摩擦电正层可为多种材料，例如聚氨酯(PU)弹性体、醋酸纤维素、乙基纤维素、聚乙二醇己二酸酯、蚕丝、聚酰胺(PA)以及金属铜、铝等，均可用做摩擦发电机的摩
擦电材料；

[0016] 进一步地，所述的摩擦纳米发电机有四种工作模式，分别为垂直接触‑分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式；

[0017] 以垂直‑接触分离模式为例，将上述脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜和摩擦电正层相对放置，并在各自的背表面或者仅脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的背表面粘附上电极，就构成了
垂直‑接触分离式摩擦纳米发电机；其中，所述摩擦电负层脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的背
表面与电极之间，包含一个由商用双面PI胶带组成的介电层；

[0018] 进一步地，用导电铜箔胶带将上述脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜和摩擦电正层上的感应电极端引出，用于收集上述摩擦纳米发电机的电信号。

[0019] 本发明提供一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜，通过操作简单、易于大规模工业化生产的溶液刮涂工艺将脂肪酸引入到热塑性弹性体SEBS基质中，进
而改变了SEBS薄膜的摩擦电极性和电荷保持能力，改善了其作为摩擦纳米发电机吸电子层
的性能，大大提高了其作为摩擦电材料的输出性能；此外，该复合膜还具有优异的柔性、拉
伸回复性、透明性；为开发和构建高性能摩擦纳米发电机提供了新的方法和思路，大大扩展
了摩擦纳米发电机实际应用领域。

[0020] 本发明的有效收益为：

[0021] 1)脂肪酸的引入改变了SEBS薄膜的摩擦电极性和电荷保持能力，大大了提高相应摩擦纳米发电机的输出性能。

[0022] 2)该复合膜的制备工艺简单、易操作、易于实现大规模生产。

[0023] 3)本发明制备的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜具有优异的综合性能，为开发和构建高性能摩擦纳米发电机提供了新的方法和思路，大大扩展了摩擦纳米发电机实际应用领
域。

附图说明

[0024] 图1为基于脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的垂直‑分离式摩擦纳米发电机的结构示意图；

[0025] 图2为实施例4可拉伸复合膜的紫外‑可见光光谱图；

[0026] 图3为实施例4可拉伸复合膜(测试样条长×宽为20mm×40mm)在50 mm/min拉伸速率测试条件下拉伸前后的对比图；

[0027] 图4为实施例4可拉伸复合膜(测试样条长×宽为20mm×40mm)在50 mm/min拉伸/回复速率下施加200%拉伸应变时测得的拉伸回复曲线；

[0028] 图5为基于实施例1、4、5和比较例得到的可拉伸膜的垂直‑接触分离式摩擦纳米发电机输出性能曲线图；

[0029] 图6为基于实施例4得到的可拉伸复合膜垂直‑接触分离式摩擦纳米发电机的疲劳测试。

具体实施方式

[0030] 以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下述实施例中的SEBS均为购置于美国科腾公司的牌号为G1650的氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物。

[0031] 实施例1

[0032] 一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的制备方法，包括以下步骤：

[0033] 1)将4 g氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物(SEBS)溶于16 g溶剂甲苯中，其中SEBS的质量分数为20 wt.%；之后向上述溶液中加入0.02 g油酸；混合均匀后即得到制备油酸/
SEBS可拉伸复合膜的铸膜液；

[0034] 其中，油酸的含量为SEBS质量的0.5 wt.%；

[0035] 2)采用规格为1000μm的刮膜棒在玻璃基板上刮涂制膜，室温干燥后，即得厚度约为350μm的油酸/SEBS可拉伸复合膜。

[0036] 实施例2

[0037] 一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的制备方法，包括以下步骤：

[0038] 1)将3 g SEBS溶于17 g溶剂甲苯中，其中SEBS的质量分数为15 wt.%；之后向上述溶液中加入0.06 g正癸酸；混合均匀后即得制备正癸酸/SEBS可拉伸复合膜的铸膜液；

[0039] 其中，正癸酸的含量为SEBS质量的2.0 wt.%；

[0040] 2)采用规格为500μm的刮膜棒在玻璃基板上刮涂制膜，室温干燥后，即得厚度约为165μm的正癸酸/SEBS可拉伸复合膜。

[0041] 实施例3

[0042] 一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的制备方法，包括以下步骤：

[0043] 1)将5 g SEBS溶于15 g溶剂甲苯中，其中SEBS的质量分数为25 wt.%；之后向上述溶液中加入0.075 g硬脂酸；混合均匀后即得制备硬脂酸/SEBS可拉伸复合膜的铸膜液；

[0044] 其中，硬脂酸的含量为SEBS质量的1.5 wt.%；

[0045] 2)采用规格为250μm的刮膜棒在玻璃基板上刮涂制膜，室温干燥后，即得厚度约为100μm的硬脂酸/SEBS可拉伸复合膜。

[0046] 实施例4

[0047] 一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的制备方法，包括以下步骤：

[0048] 1)将4 g SEBS溶于16 g溶剂甲苯中，其中SEBS的质量分数为20 wt.%；之后向上述溶液中加入0.04 g正辛酸；混合均匀后即得制备正辛酸/SEBS可拉伸复合膜的铸膜液；

[0049] 其中，正辛酸的含量为SEBS质量的1.0 wt.%；

[0050] 2)采用规格为1000μm的刮膜棒在玻璃基板上刮涂制膜，室温干燥后，即得厚度约为350μm的正辛酸/SEBS可拉伸复合膜。

[0051] 实施例5

[0052] 一种具有增强摩擦电输出的脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的制备方法，包括以下步骤：

[0053] 1)将4 g SEBS溶于16 g溶剂甲苯中，其中SEBS的质量分数为20 wt.%；之后向上述溶液中加入0.04 g月桂酸；混合均匀后即得制备月桂酸/SEBS可拉伸复合膜的铸膜液；

[0054] 其中，月桂酸的含量为SEBS质量的1.0 wt.%；

[0055] 2)采用规格为1000μm的刮膜棒在玻璃基板上刮涂制膜，室温干燥后，即得厚度约为350μm的月桂酸/SEBS可拉伸复合膜。

[0056] 比较例

[0057] 1)将4 g SEBS溶于16 g溶剂甲苯中，其中SEBS的质量分数为20 wt.%；完全溶解后即得制备SEBS可拉伸膜的铸膜液；

[0058] 2)采用规格为1000μm的刮膜棒在玻璃基板上刮涂制膜，室温干燥后，即得厚度约为350μm的SEBS可拉伸膜。

[0059] 基于SEBS可拉伸膜或脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜的垂直‑分离式摩擦纳米发电机的制备：

[0060] 如图1所示，将导电铜箔胶带(米乐奇自粘性双导铜箔，长×宽×厚：50m×50mm×0.065mm，深圳市标质胶粘制品有限公司)、上述SEBS可拉伸膜或脂肪酸/SEBS可拉伸复合
膜、介电层PI膜(PI双面胶带，长×宽×厚：33m×100mm×0.06mm，厦门集捷电子科技有限公
司)裁剪成形状和尺寸基本一致的特定形状(45mm×45mm)，以亚克力板为支撑基底组装垂
直‑分离式摩擦纳米发电机；

[0061] 其中，该垂直‑分离式摩擦纳米发电机包含由亚克力板、导电铜箔胶带、介电层和紧贴其上表面的SEBS可拉伸膜或脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜(摩擦电负层)组成的以及由亚
克力板、导电铜箔胶带(摩擦电正层、电极)组成的两部分组件构成；摩擦电负层和摩擦电正
层相对放置；用导电铜箔胶带将上述SEBS可拉伸膜或脂肪酸/SEBS可拉伸复合膜和摩擦电
正层上的感应电极端引出，用于收集上述摩擦纳米发电机的电信号。

[0062] 如图2所示，实施例4中制备的脂肪酸/SEBS复合膜透光率高达96.7%，表现出优异的透明性；如图3和4 所示，实施例4中制备的脂肪酸/SEBS复合膜具有优异的可拉伸性（可
拉伸至132mm）、拉伸回复性和柔性；进一步，如图5所示，基于实施例1、4和5制备的脂肪酸/
SEBS可拉伸复合膜的垂直接触‑分离式摩擦纳米发电机在摩擦电对间距为2cm，接触频率为
1.5 Hz，湿度为55%RH测试条件下的输出电压分别为23.83 V、46.36 V和29.95 V；与相同测
试条件下基于比较例制备的SEBS可拉伸膜的垂直接触‑分离式摩擦纳米发电机的输出电压
(14.12 V)相比，分别为比较例的1.69倍、3.28倍和2.12倍。由此可见，脂肪酸的引入能够改
变SEBS薄膜的摩擦电极性和电荷保持能力，改善其作为摩擦纳米发电机吸电子层的性能，
从而大大提高相应摩擦纳米发电机的输出性能。此外，如图6所示，基于本发明制备的脂肪
酸/SEBS复合膜的摩擦纳米发电机在长时间的工作过程(接触‑分离循环往复运动10000余
次)中输出信号保持稳定，具有优异的耐疲劳特性。因此，本发明公布的脂肪酸/SEBS可拉伸
复合膜，具有优异的柔性、拉伸回复性、透明性和增强的摩擦电输出特性；这为开发和构建
高性能摩擦纳米发电机提供了新的方法和思路，大大扩展了摩擦纳米发电机实际应用领
域。

[0063] 应理解，以上所述，仅为本发明代表性的实施方案，本发明的保护范围包括但不限于此。此外应理解，相关领域技术人员在查阅本发明内容之后，可以对本发明做出各种显而
易见的简单变化或等效替换，这些等价形式均落入本发明的保护范围之内。