一种摩擦纳米发电机及其制备方法

本发明属于纳米，涉及一种摩擦纳米发电机及其制备方法。背景技术：1、在物联网技术的推动下，柔性可穿戴电子产品在个人防护技术，特别是消防服领域展现出了巨大的应用潜力。其中，智能消防服不仅能保护消防员免受热危害，还能实时监测消防员的人体运动、健康状态和温度等关键信息。然而，当前集成于防护服中的柔性电子设备主要依赖传统的能量存储设备，如电池和超级电容器，这些设备在结构灵活性、使用寿命、充电成本以及环境安全性等方面存在显著挑战。2、为了克服这些挑战，摩擦纳米发电机(teng)因其能够收集人体运动产生的机械能并转化为电能而备受关注。然而，尽管摩擦纳米发电机在能量收集方面显示出巨大潜力，但现有的摩擦纳米发电机在人体舒适性、抗皱性能、抗菌性能、阻燃性能和耐久性能等方面存在明显不足。3、首先，人体舒适性是可穿戴设备的关键指标之一。现有的摩擦纳米发电机基材，如凝胶、橡胶和聚合物薄膜，虽然能实现能量收集，但往往缺乏透气性和透湿性，导致人体汗液无法有效排出，严重影响穿戴者的舒适度。4、其次，抗皱性能对于摩擦纳米发电机在可穿戴设备中的应用至关重要。由于棉纤维自身特性，如易折皱变形，以棉纤维为基材的摩擦纳米发电机在经历机械形变后易产生变形且恢复困难，这限制了其大面积与皮肤接触以收集机械能的能力，进而影响了其耐用性能。5、再者，抗菌性能对于长时间与人体皮肤接触的可穿戴设备而言同样不可或缺。细菌滋生不仅增加了皮肤感染的风险，还可能对摩擦纳米发电机的性能产生不利影响，如干扰电荷传递和收集，降低发电效率。然而，目前大多数摩擦纳米发电机的开发都忽视了抗菌性能的重要性。6、最后，当摩擦纳米发电机应用于消防服等极端环境中时，其阻燃性能成为另一个必须考虑的因素。现有的基于织物的摩擦纳米发电机往往无法承受高温或火焰燃烧，这限制了其在更广泛领域的应用。7、因此，开发一种能够兼具优良人体舒适性、抗皱性能、抗菌性能、阻燃性能和耐久性能的摩擦纳米发电机，对于推动其在可穿戴设备领域的应用具有重要意义。这不仅将极大地提升消防员等职业人员的安全性和工作效率，也将为其他可穿戴设备领域带来新的发展机遇。技术实现思路1、本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种摩擦纳米发电机及其制备方法。2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：3、一种摩擦纳米发电机，包括支撑材料、导电材料和摩擦材料，支撑材料为棉含量≥70wt％的织物，还包括聚多巴胺，导电材料和摩擦材料均通过聚多巴胺与支撑材料结合；摩擦材料为壳聚糖。4、本发明的摩擦纳米发电机兼具优良的人体舒适性、抗皱性能、抗菌性能、阻燃性能和耐久性能，原理如下：5、支撑材料为棉含量≥70wt％的织物，使得摩擦纳米发电机具有优良的人体舒适性；6、聚多巴胺与壳聚糖能够产生协同作用，提高织物的抗皱性能，聚多巴胺可以渗透到纤维内部，与纤维中的羟基官能团发生反应，形成化学键合，增强纤维间的交联程度，这种交联作用可以增加织物的刚性和稳定性，使其不易变形和起皱；当聚多巴胺与壳聚糖同时存在、协同作用时，两者可以相互增强，进一步提高织物的抗皱性能；聚多巴胺与壳聚糖结合后，可以形成更加紧密、稳定的结构，进一步增强纤维间的交联和稳定性，使织物更加抗皱，在穿着和使用过程中更加舒适、美观；7、聚多巴胺能够赋予摩擦纳米发电机优良的抗菌性能，聚多巴胺的多酚结构使其具有优异的黏附性，能够在各种固体基质表面形成均匀稳定的涂层，这种涂层能够有效地抵抗外界环境的侵害，从而赋予织物抗菌性能；此外，多巴胺还能够通过氧化反应生成硝基酚类化合物，进而与细菌表面的氨基反应形成黏附结构，从而实现对细菌的黏附和杀灭作用；这种机制使得聚多巴胺处理后的织物具有高效的抗菌活性，能够快速杀死金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等常见细菌；8、壳聚糖既作为摩擦材料使用，也作为阻燃材料(碳源)使用，提高摩擦纳米发电机的阻燃性能；9、聚多巴胺能够改善支撑材料与导电材料和摩擦材料之间的界面黏附性,构建有效接触的导电网络,提高导电材料和摩擦材料与支撑材料之间的结合作用，以提高导电材料和摩擦材料的固着量；同时，聚多巴胺与导电材料和摩擦材料之间形成大分子链，具有很高的分子量和稳定性，不易脱落；相较于未经过聚多巴胺修饰的摩擦纳米发电机，经过聚多巴胺修饰的摩擦纳米发电机具有更好的耐久性和耐磨性，能提高摩擦纳米发电机的使用寿命。10、作为优选的技术方案：11、如上所述的一种摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机中，导电材料的含量为9wt％，摩擦材料的含量为19.8wt％，聚多巴胺的含量为15wt％。12、如上所述的一种摩擦纳米发电机，支撑材料为莱卡织物。13、如上所述的一种摩擦纳米发电机，导电材料为聚吡咯。14、如上所述的一种摩擦纳米发电机，还包括植酸，摩擦纳米发电机中，植酸的含量为2wt％。15、聚多巴胺分子链上的羟基可以与植酸的磷酸基团发生氢键交联，可以实现植酸在织物上的稳定固着；植酸可进一步提升摩擦纳米发电机的阻燃性能，以确保在特定火场环境中的使用，由于植酸的阻燃特性，制得的摩擦纳米发电机在遇到异常高温或短暂暴露于火焰下时，能快速脱水碳化，形成稳定致密的碳层屏障，有效地阻断了热量的传递，抑制了摩擦纳米发电机的持续燃烧；植酸热解产生的po·自由基可以捕获h·和oh·自由基，终止燃烧链式反应；同时，植酸可与壳聚糖一起发挥协同阻燃作用，在热分解过程中会释放出无毒、无腐蚀性的不可燃气体(如co2、nh3)，这些气体会稀释可燃气体，降低可燃性。16、如上所述的一种摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机的透气率为1380-1450mm/s，透湿量为410-420.3g/m2·24h，折皱回复角为109°-141°，极限氧指数为23.4-35.2％；摩擦纳米发电机在2n的施加压力下通过3hz的频率摩擦4000次产生的电压最大值稳定在0.22-0.36v；在温度25℃、相对湿度60％下利用摩擦纳米发电机参照gb/t 20944.1-2007标准对抗金黄葡萄球菌后成功形成了抑菌带。17、本发明还提供了制备如上任一项所述的一种摩擦纳米发电机的方法，包括以下步骤：18、(1)聚多巴胺修饰织物；19、先配制聚多巴胺的前驱体溶液，在45-50℃下搅拌3.5-5h，得到聚多巴胺溶液，再将织物加入聚多巴胺溶液中，在45-50℃下浸渍2-3h，得到聚多巴胺修饰的织物；20、(2)原位聚合聚吡咯；21、先将聚多巴胺修饰的织物加入吡咯溶液中，在0-4℃下浸渍1-2h，再向其中加入氧化溶液，在0-4℃下聚合6-8h，经后处理(取出、用去离子水多次清洗、在70℃下干燥1h、在130℃下干燥3min)得到导电复合织物；22、(3)阻燃整理；23、采用壳聚糖/植酸溶液浸轧整理导电复合织物，经后处理(在60℃下烘干)，即得摩擦纳米发电机；24、壳聚糖/植酸溶液的配制过程为：将植酸溶于去离子水中，充分混合，得到均匀、透明、淡黄色的植酸溶液后，将壳聚糖溶于植酸溶液中，在室温下连续搅拌，即得壳聚糖/植酸溶液。25、作为优选的技术方案：26、如上所述的方法，步骤(1)中，将织物加入聚多巴胺溶液中前，还对其进行预处理，预处理的过程为：首先将织物在去离子水中浸泡30min，挤出多余水分，然后将织物放入温度为45℃、浓度为35g/l的氢氧化钠溶液中浸泡3h，最后用去离子水多次冲洗，挤出多余水分。27、如上所述的方法，步骤(1)中，聚多巴胺的前驱体溶液的溶质为盐酸多巴胺和氢氧化钠，溶剂为水，盐酸多巴胺的浓度为2mol/l，氢氧化钠的浓度为2mol/l。28、如上所述的方法，步骤(2)中，吡咯溶液为浓度0.05mol/l的吡咯单体的异丙醇溶液；氧化溶液为浓度10mol/l的三氯化铁的水溶液；氧化溶液与吡咯溶液的质量比为2:1。29、如上所述的方法，步骤(3)中，壳聚糖/植酸溶液的溶质为壳聚糖和植酸，溶剂为水，壳聚糖的浓度为6-10mol/l，植酸的浓度为0.5mol/l。30、有益效果：31、本发明的摩擦纳米发电机以聚多巴胺粘结导电材料/摩擦材料和支撑材料(织物)，聚多巴胺可以增强纤维间的交联程度，进而赋予摩擦纳米发电机良好的抗皱性能；同时，聚多巴胺能够在各种固体基质表面形成均匀稳定的涂层，起到了很好的抗菌作用。32、本发明在制备摩擦纳米发电机时先以聚多巴胺修饰织物，提升了摩擦纳米发电机的耐久性、耐磨性和使用寿命。33、本发明将壳聚糖作为摩擦纳米发电机的摩擦材料，壳聚糖本身为阻燃材料(碳源)，提高了摩擦纳米发电机的阻燃性能；同时，壳聚糖可以和聚多巴胺产生协同作用，进一步提升摩擦纳米发电机的抗皱性能；此外，壳聚糖与聚多巴胺结合后，可以形成更加紧密、稳定的结构，进一步增强纤维间的交联和稳定性，在穿着和使用过程中更加舒适、美观。