CN107116868B - 一种绿色节能压电发电薄片及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于压电器件领域和能源技术领域，具体涉及一种绿色节能压电发电薄片及制备方法。其特征在于由绝缘层、导电层、压电层交联成薄片状；其中绝缘层主要成分为橡胶、添加剂；导电层主要成分是导电剂、橡胶；压电层主要成分是压电陶瓷粉体、橡胶。可以根据使用环境裁切成任何形状，不需要加装任何特殊机构应用于所有靠橡胶来减振的区域。在通过原材料成型就可以控制器件的电压、电流等电性能参数，适合产品系列化和与用电终端直接对接，尽可能省去其他附属设备。

Description

一种绿色节能压电发电薄片及制备方法
技术领域
本发明属于压电器件领域和能源技术领域，具体涉及一种绿色节能压电发电薄片及制备方法。
背景技术
目前，我国能源消费水平逐年增长，尽管能源结构不断优化，但能耗整体水平仍然偏高，能源结构有待进一步改善。与此同时，我国能源资源有限，能源对外依赖度较高，能源瓶颈制约愈加突出。目前我国的能源主要来自于石油、煤炭等不可再生资源。
潜在可用的新型能源包括：太阳能、风能和地热等。丰富的太阳能是取之不尽、无污染、可无限利用的资源。但是目前一次性投资成本太高，成本回收期太长，另外技术复杂，占地面积大、光电转化率低等。对于风能，其电转化率较高，风能资源量大，但是优质的风资源并不多，陆地上的风能在距地面一定的高度才有较优质的风资源，最重要的是不稳定、连续性差和时空分布不均，往往出现发电多的地方用电量较小和春、冬天发电多而用电少的特点。还有地热、虽然其具有稳定性和连续性的特点，但是可利用性差、维修成本高等特点，限制其进一步的应用。
然而，相对于这些方式，有一种能源同样是清洁能源，并且具有长寿命、低维修成本的特点，因为环境中振动、挤压无处不在，如果通过一定的转换机制将这些能量收集起来并加以利用，总量将非常可观。近年来，便携式电子产品的普及为驱动这些电子器件的电源提出了更高的要求。传统的蓄电技术表现出持久性差、环境污染等不足，发展一种环保的、可持续独立供电的技术变得迫在眉睫。因此，通过有效手段将环境中的能量收集起来，并转化为可持续的电能来驱动小范围的电子器件，将有望成为解决上述问题的绝佳途径。压电材料掺入路面材料中，制作成压电型路面材料，在满***通功能的基础上进行发电，并可以收集到可观的电量，用于路面附属设施用电和电车的充电。利用路面的振动和变形可以实现高效、清洁能源的生产，还可以减小路面的振动和变形，延长路面的使用功能和寿命。利用压电陶瓷正压电效应进行发电的装置因其具有环保节能、结构简单、无电磁干扰、易于实现、成本低等优点，成为世界各国研究人员的关注热点。
相对于这些方式，它同样是清洁能源，并且具有长寿命、低维修成本的特点；其次，对于我国汽车保有量和公路建设发展迅猛。我国已成为汽车大国，仅次于美国，2010年的汽车销量预计约1700万辆，销量增长速度惊人；同时公路建设迅速发展，到2020年公路网总里程将达到300万公里。此外，随着城市规模及城市交通的快速发展，各种交通工具所产生的振动强度越来越大，范围越来越广，具有可广泛利用的振动能源。其产生的电能可以用于交通设施基础的供电，以及为局部的居民供电，更重要的是在突发的天灾面前，人们缺水缺电的状况可以改变，可以尽早的恢复通讯、供水等。
国内外所研究的利用人体动能进行压电发电装置较多，比如利用人体频繁踏走的压电发电装置，该装置利用人体对弹簧杠杆机构踩踏形成弹簧形变的势能；一种楼前台阶的压电发电装置，把压电陶瓷设置于上地毯和下地毯之间，通过人体对压电陶瓷的踩踏产生电能并进行能量收集；一种利用悬臂杠杆原理的压电发电装置，该装置解决了人体踩踏发电装置产生的不适感。但是上述方法和装置都是基于结构的设计，出来本身手机能量的性能很差外，与使用环境的融入度不够，也未从材料本身考虑。
鉴于压电发电技术的发展优势及其存在的缺点，确有必要采用新思路和新工艺制备一种高性能性的压电发电器件，不需要使用环境做出改变，成本低，经济可行，这对于振动能量的收集及环保节能有至关重要的意义。
发明内容
内容
本发明的目的在于提出一种绿色节能压电发电薄片，该发电薄片具有良好的环境适应性，可以安装在任何具有机械压力的地方进行发电，包括轮胎面、鞋底、路面等。其结构特点是由多层不同性能的橡胶硫化交联成薄片状，1为绝缘层，主要成分为橡胶层、添加剂，2为导电层，主要成分是导电剂、橡胶，3为压电层，主要成分是压电陶瓷粉体、橡胶；在压力作用下，压电层3中压电陶瓷颗粒表面产生电荷，由导电层收集形成电流，绝缘层主要作用是绝缘和适应使用环境的作用。
优选的，所述导电层，其导电系数小于1.0×10-2Ω·m。
优选的，所述压电层，其性能tanδ<0.45，kp≥0.12，d33≥67pC/N。
一种绿色节能压电发电薄片得制备方法，首先分别制备绝缘层、导电层、压电层，再通过平板硫化机将各层按照设计结构压合在一起，根据使用需要进行裁切获得成品；具体制备步骤包括：
（1）制备绝缘层混合胶
绝缘层是按照使用环境的要求，在橡胶中添加需要的成分，包括常见耐磨、提高强度等性能组分，添加的工艺是采用普通开炼机将天然橡胶、硫化剂、添加剂混合均匀，得到绝缘层混合胶料备用；
（2）制备导电层混合胶
在采用常规开炼机在天然橡胶中加入硫化剂、导电剂得到导电层混合胶料备用；
（3）制备压电层
使用开炼机在天然橡胶粉末中加入压电陶瓷粉末混合物，得到混合胶料，然后将混合胶料压延成型，最后将成型的薄片进行极化，获得所需压电层；
（4）叠层交联
将步骤（1）、（2）制备的绝缘层、导电层混合胶料分别挤出和（3）压电层叠放在一起，放进平板硫化机进行硫化，得到压电发电薄片。
步骤（1）所述硫化剂加入量为天然橡胶的质量的1.5~2.5%，开练过程中分5~10次加入，间隔时间3~6分钟。
步骤（2）所述导电剂为导电炭黑、铜粉、银粉、铝粉中至少一种，与所述天然橡胶的质量比为1:9~99；所述制备硫化剂加入量为天然橡胶质量的2~3%，开练过程中粉5~10次加入，间隔时间2~5分钟。
步骤（3）所述压电陶瓷粉选用压电常数在100pC/N以上的压电陶瓷粉，与天然橡胶的质量比为1:9~99，压电陶瓷粉体直径设计不小于压电层设计厚度的70%。
步骤（3）所述极化是将橡胶基压电复合材料在高压直流油浴装置中进行极化，极化电场强度为10000~100000V/m，极化温度为80~120℃，极化时间为5~60min。
步骤（3）所述压电层，其橡胶组分呈网状结构，压电陶瓷颗粒钉扎在网状结构上，也即陶瓷颗粒几乎以单层的形式排布在橡胶膜上，上下两表面几乎是裸露的，四侧面则填充橡胶。
步骤（4）所述硫化工艺参数是，压力为5~10MPa，温度为140~160℃，成型时间为20~60min。
步骤（4）所述层叠根据需要层叠为单发电薄片或双发电薄片。
一种绿色节能压电发电薄片及制备方法，与现有技术相比，其显著的优势的优异的效果为：
1、本发明与其他压电发电器件不同，主要材料包括导电、压电、绝缘都采用橡胶作为机体，适合可以低成本大批量的生产，进一步的，可以根据使用环境裁切成任何形状，不需要加装任何特殊机构应用于所有靠橡胶来减振的区域。
2、本发明一种绿色节能压电发电薄片，在通过原材料成型就可以控制器件的电压、电流等电性能参数，适合产品系列化和与用电终端直接对接，尽可能省去其他附属设备。
3、本发明提供的制备方法，其反应物所需原料易得、成本低廉，特别是压电陶瓷组分采用报废电子元件的材料，实现废物回收再利用的目的，制备设备简单，制备过程无需特殊防护，重复性好的优点。
附图说明
为进一步明确一种绿色节能压电发电薄片的层状结构，通过附图进行说明。
附图1：一种单压电层发电薄片的层状结构示意图。1-绝缘层；2-导电层；3-压电发电层。
附图2：一种双压电层发电薄片的层状结构示意图。1-绝缘层；2-导电层；3-压电发电层。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内，特别需要指出的是基于该专利的个功能层可以衍生出多种结构的压电薄片，均属于本专利的范围。
实施例1
1、使用开炼机将天然橡胶、硫化剂混合均匀，硫化剂加入量与天然橡胶的比例为1.5%，开练过程中粉5次加入，间隔时间3分钟，得到绝缘层混合胶料备用。
2、使用常规开炼机在天然橡胶中加入硫化剂、导电炭黑，硫化剂加入量与天然橡胶质量比例的2%，导电炭黑与橡胶的质量比为1:90，得到导电层混合胶料备用。
3、使用常规开炼机在天然橡胶粉末中加入钛锆酸铅(PZT)，陶瓷颗粒直径设计30μm，与橡胶的质量比为1:90，得到混合胶料，然后将混合胶料压延成型，薄片厚度为40μm，最后将成型的薄片进行极化，极化电场强度为10000V/m，极化温度为80℃，获得所需压电层。
4、将步骤1、2、3分别制备的绝缘层、导电层混合胶料分别挤出和压电层叠放在一起，如图1，放进平板硫化机进行硫化粘结。所述硫化粘接工艺参数是，压力为5MPa，温度为140℃，成型时间为20min，制得橡胶基压电复合材料。
性能测试，导电层的导电系数为6.25×10-3Ω·m，压电系数d33为67pC/N。
实施例2
1、使用开炼机将天然橡胶、硫化剂混合均匀，硫化剂加入量为天然橡胶之咯昂的2.5%，开练过程中粉10次加入，间隔时间3分钟，得到绝缘层混合胶料备用。
2、使用常规开炼机在天然橡胶中加入硫化剂、铜粉，硫化剂加入量为天然橡胶质量的2.5%，铜粉与橡胶的质量比为1:20，得到导电层混合胶料备用。
3、使用常规开炼机在天然橡胶粉末中加入钛酸铅(PT)粉末，陶瓷颗粒直径设计40μm，与橡胶的质量比为1:80，得到混合胶料，然后将混合胶料压延成型，薄片厚度为50μm，最后将成型的薄片进行极化，极化电场强度为10000V/m，极化温度为100℃，获得所需压电层。
4、将步骤1、2、3分别制备的绝缘层、导电层混合胶料分别挤出和压电层叠放在一起，如图1，放进平板硫化机进行硫化粘结。所述硫化粘接工艺参数是，压力为8MPa，温度为150℃，成型时间为20min，制得橡胶基压电复合材料。
性能测试，导电层的导电系数为5.37×10-3Ω·m，压电系数d33为79pC/N。
实施例3
1、使用开炼机将天然橡胶、硫化剂混合均匀，硫化剂加入量为天然橡胶质量的2.0%，开练过程中粉6次加入，间隔时间6分钟，得到绝缘层混合胶料备用。
2、使用常规开炼机在天然橡胶中加入硫化剂、银粉，硫化剂加入量为天然橡胶质量的3%，银粉与橡胶的质量比为1: 30，得到导电层混合胶料备用。
3、使用常规开炼机在天然橡胶粉末中加入K1-xNaxNbO3粉末，陶瓷颗粒直径设计50μm，与橡胶的质量比为1: 70，得到混合胶料，然后将混合胶料压延成型，薄片厚度为65μm，最后将成型的薄片进行极化，极化电场强度为20000V/m，极化温度为120℃，获得所需压电层。
4、将步骤1、2、3分别制备的绝缘层、导电层混合胶料分别挤出和压电层叠放在一起，如图2层叠为双层片，放进平板硫化机进行硫化粘结。所述硫化粘接工艺参数是，压力为10MPa，温度为160℃，成型时间为40min，制得橡胶基压电复合材料。
性能测试，导电层的导电系数为8.96×10-3Ω·m，压电系数d33为71pC/N。
实施例4
1、使用开炼机将天然橡胶、硫化剂混合均匀，硫化剂加入量为天然橡胶质量的1.5%，开练过程中粉7次加入，间隔时间6分钟，得到绝缘层混合胶料备用。
2、使用常规开炼机在天然橡胶中加入硫化剂、铝粉，硫化剂加入量为天然橡胶质量的2%，铝粉与橡胶的质量比为1:15，得到导电层混合胶料备用。
3、使用常规开炼机在天然橡胶粉末中加入PCM(PZT中加入Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)，陶瓷颗粒直径设计80μm，与橡胶的质量比为1:85，得到混合胶料，然后将混合胶料压延成型，薄片厚度为100μm，最后将成型的薄片进行极化，极化电场强度为20000V/m，极化温度为110℃，获得所需压电层。
4、将步骤1、2、3分别制备的绝缘层、导电层混合胶料分别挤出和压电层叠放在一起，如图2层叠为双层，放进平板硫化机进行硫化粘结。所述硫化粘接工艺参数是，压力为9MPa，温度为150℃，成型时间为40min，制得橡胶基压电复合材料。
性能测试，导电层的导电系数为2.14×10-3Ω·m，压电系数d33为109pC/N。
实施例5
1、使用开炼机将天然橡胶、硫化剂混合均匀，硫化剂加入量为天然橡胶质量的1.5%，开练过程中粉5次加入，间隔时间6分钟，得到绝缘层混合胶料备用。
2、使用常规开炼机在天然橡胶中加入硫化剂、导电炭黑，硫化剂加入量为天然橡胶质量的2%，导电炭黑与橡胶的质量比为1:95，得到导电层混合胶料备用。
3、使用常规开炼机在天然橡胶粉末中加入K1-xNaxNbO3粉末，陶瓷颗粒直径设计80μm，与橡胶的质量比为1: 85，得到混合胶料，然后将混合胶料压延成型，薄片厚度为100μm，最后将成型的薄片进行极化，极化电场强度为15000V/m，极化温度为80、100、120、110、100℃，获得所需压电层。
4、将步骤1、2、3分别制备的绝缘层、导电层混合胶料分别挤出和压电层叠放在一起，如图2，放进平板硫化机进行硫化粘结。所述硫化粘接工艺参数是，压力为8MPa，温度为150℃，成型时间为60min，制得橡胶基压电复合材料。
性能测试，导电层的导电系数为3.58×10-3Ω·m，压电系数d33为134pC/N。

Claims (9)

1.一种绿色节能压电发电薄片，其特征在于，所述压电发电薄片由绝缘层、导电层、压电层交联成薄片状；其中绝缘层主要成分为橡胶、添加剂；导电层主要成分是导电剂、橡胶；压电层主要成分是压电陶瓷粉体、橡胶；
所述压电发电薄片，是由以下制备方法制备得到的：首先分别制备绝缘层、导电层、压电层，再通过平板硫化机将各层按照设计结构压合在一起，根据使用需要进行裁切获得成品；
具体制备步骤包括：
（1）制备绝缘层混合胶
绝缘层是按照使用环境的要求，在橡胶中添加需要的成分，包括常见耐磨、提高强度等性能组分，添加的工艺是采用普通开炼机将天然橡胶、硫化剂、添加剂混合均匀，得到绝缘层混合胶料备用；
（2）制备导电层混合胶
在采用常规开炼机在天然橡胶中加入硫化剂、导电剂得到导电层混合胶料备用；
（3）制备压电层
使用开炼机在天然橡胶粉末中加入压电陶瓷粉末混合物，得到混合胶料，然后将混合胶料压延成型，最后将成型的薄片进行极化，获得所需压电层；
（4）叠层交联
将步骤（1）、（2）制备的绝缘层、导电层混合胶料分别挤出和（3）压电层叠放在一起，放进平板硫化机进行硫化，得到压电发电薄片。
2.根据权利要求1所述一种绿色节能压电发电薄片，其特征在于：所述导电层，其导电系数小于1.0×10-2Ω•m。
3.根据权利要求1所述一种绿色节能压电发电薄片，其特征在于：所述压电层，其tanδ<0.45，kp≥0.12，d33≥67pC/N。
4.根据权利要求1所述一种绿色节能压电发电薄片，其特征在于：步骤（1）所述硫化剂加入量为天然橡胶的质量的1.5~2.5%，开练过程中分5~10次加入，间隔时间3~6分钟。
5.根据权利要求1所述一种绿色节能压电发电薄片，其特征在于：步骤（2）所述导电剂为导电炭黑、铜粉、银粉、铝粉中至少一种，与所述天然橡胶的质量比为1:9~99；所述制备硫化剂加入量为天然橡胶质量的2~3%，开练过程中分 5~10次加入，间隔时间2~5分钟。
6.根据权利要求1所述一种绿色节能压电发电薄片，其特征在于：步骤（3）所述压电陶瓷粉选用压电常数在100pC/N以上的压电陶瓷粉，与天然橡胶的质量比为1:9~99，压电陶瓷粉体直径设计不小于压电层设计厚度的70%；其橡胶组分呈网状结构，压电陶瓷颗粒钉扎在网状结构上，也即陶瓷颗粒几乎以单层的形式排布在橡胶膜上，上下两表面几乎是裸露的，四侧面则填充橡胶。
7.根据权利要求1所述一种绿色节能压电发电薄片，其特征在于：步骤（3）所述极化是将橡胶基压电复合材料在高压直流油浴装置中进行极化，极化电场强度为10000~100000V/m，极化温度为80~120℃，极化时间为5~60min。
8.根据权利要求1所述一种绿色节能压电发电薄片，其特征在于：步骤（4）所述硫化工艺参数是，压力为5~10MPa，温度为140~160℃，成型时间为20~60min。
9.根据权利要求1所述一种绿色节能压电发电薄片，其特征在于：步骤（4）所述层叠根据需要层叠为单发电薄片或双发电薄片。
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