| 固-固摩擦起电的界面调控及防静电新材料的设计 | |
| Alternative Title | 无 |
王楠楠
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| Thesis Advisor | 王道爱 |
| 2021-05-26 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Department | OSSO国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 摩擦起电,湿度阻抗,防静电,光电转换,光热转换 |
| Abstract | 摩擦起电是一种普遍存在的物理现象，其主要发生在摩擦副材料的表面。摩擦后，摩擦电荷通常被截留在表面（2 μm以内）得以暂时储存。因此，材料表界面的电荷调控对于提高摩擦纳米发电机（teng）的电性能输出或设计新型防静电材料意义重大。对TENG而言，高的环境湿度会严重影响其摩擦层表面的电荷产生及耗散速率，导致电输出的降低。然而，改善TENG在高湿度环境中的电输出的常用方法（如使摩擦面超疏水化或封装TENG）很难从根本上解决上述问题。因此，从界面电荷调控的角度出发，寻找在高湿度环境中具有起电性能高和电荷耗散慢的新材料将具有重要意义。另一方面，由摩擦起电导致的静电放电严重影响了电子、精密制造等行业的发展，防静电新材料的研发刻不容缓。而利用摩擦起电的电子转移理论，将摩擦过程中的电能以其他能量的形式耗散掉，可为防静电新材料的设计提供新的思路。基于此，在本论文以摩擦界面的电荷调控为研究主线，对摩擦起电的微观机理及新型防静电材料展开了系统研究。1. 生物基材料的摩擦起电设计及耐湿机理研究。利用淀粉生物膜材料作为TENG的摩擦层组装生物基材料TENG，由于淀粉膜材料表面富含羟基，其在高湿度环境中与水分子形成氢键，从而将游离水分子固定在膜表面上形成结合水，参与摩擦带电过程，显示更强的摩擦电正极性。结果显示，当湿度从增加时，TENG将显示出出色的抗湿性。当湿度从15％增加到95％时，TENG的输出电流从6.7μA增加到16.6μA。该方法具有普适性，即可以通过使用富含羟基的生物基膜作为TENG的摩擦层来提高高湿度环境下的起电效率。2.基于富羟基PVA材料的摩擦起电设计及应用研究。PVA材料是一种富含羟基的聚合物材料，具有良好的韧性和耐磨损性能。以PVA为摩擦层组装TENG，系统研究了其摩擦起电能力和电荷存储性能。结果表明随着湿度从15％增加到95％，Isc和Vo可以从14.4 μA和220 V增加到46.6 μA和800 V，在95％相对湿度下，这个数值比传统的PP基TENG大26倍。基于PVA的耐湿高输出性能，设计制备了PVA基医用口罩，该口罩通过静电纺丝制备，可与人体呼出的水蒸气分子自发形成氢键固定水分子，从而增加摩擦起电能力，并在高湿度环境下具有自充电和保持电荷的性能，可提高其在长期佩戴过程中基于PVA的口罩的静电吸附效率，降低感染风险。3. 低摩擦、抗磨损新型淀粉胶囊的设计及抗静电性能研究。通过在淀粉材料中引入一定量的小分子多羟基化合物（如甘油等）制备了新型的具有良好抗静电性、耐磨性和水润滑性的淀粉胶囊。淀粉胶囊内部和表面的甘油分子可与环境中的水分子形成氢键，并占据表面的羟基位置，从而减少结合的水含量，从而减少摩擦电荷。此外，在高湿度环境中，甘油分子上结合的水膜可有效降低摩擦系数并加速摩擦电荷的耗散。实验结果表明，当添加5％甘油时，干摩擦系数和磨损量分别降低了60％和89％，并且水润滑下的摩擦系数达到了超润滑水平，摩擦系数约为0.005。在95％湿度环境下，短路电流和输出电压分别降低了10倍和12倍。4. 基于发光材料的摩擦起电设计及界面调控性能研究。首先制备了由ZnS：Mn和PDMS组成的复合薄膜，其表面摩擦电荷的释放可以通过摩擦电荷和机械发光（ML）的转化来控制。当PDMS摩擦带电时，PDMS的摩擦电子可以进入ZnS晶格并参与ML，此时的摩擦电子将以光的形式耗散掉。当产生ML时，ZnS：Mn @ PDMS复合膜的表面电荷减少；同时，当复合膜表面存在电荷时，ZnS：Mn的ML强度增加。实验结果表明，当添加10％的ZnS：Mn时，与空白的基于PDMS的TENG相比，基于ZnS：Mn @ PDMS的TENG的Isc降低了96％。同时，当复合膜的表面电荷为11 nC时，与没有表面电荷的复合膜相比，ML强度增加了80％。而且，通过DFT已经证明了该机理，即PDMS的摩擦电子可以进入ZnS晶格并参与ML，并且在注入电子之后可以增加ML强度。5. 基于光热材料的摩擦起电设计及界面电荷调控研究。制备了Fe3O4@PDMS复合膜，并探究808 nm近红外对Fe3O4@PDMS复合膜表面电荷的影响。由于Fe3O4是一种光热材料，近红外照射时会使其瞬间产生高温并发生热电子发射。因此，当PDMS复合膜表面充正电荷时，近红外照射后表面电势将会降低；当表面充负电荷时，近红外照射后PDMS复合膜的表面电势将会增加。此外，聚合物的表面电荷对其摩擦系数也会有较大的影响。当PDMS表面的正电荷被中和后，摩擦系数将会降低；当PDMS表面的负电荷数量增加后，摩擦系数将会增加。结果表明，当PDMS表面带有正电荷时，近红外照射会使电性能降低2倍左右；当PDMS表面带有负电荷时，近红照射使电性能增加了近3倍。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 物理化学 |
| Pages | 142 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/29082 |
| Collection | 羰基合成与选择氧化国家重点实验室（OSSO） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 王楠楠. 固-固摩擦起电的界面调控及防静电新材料的设计[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
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