本發(fā)明涉及新能源轉(zhuǎn)化，具體涉及一種皮革離子壓電器件及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、離子壓電技術(shù)是基于離子壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)化為電能的綠色發(fā)電技術(shù)，離子壓電技術(shù)對于機械能收集發(fā)電、人機交互系統(tǒng)和自供電傳感設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。離子壓電效應(yīng)是由聚合物基質(zhì)和移動離子組成的壓電材料，通過施加壓力誘導(dǎo)材料中陽離子和陰離子發(fā)生短暫電荷分離，而產(chǎn)生電壓或電流的現(xiàn)象。當前，離子壓電材料多以含有電解質(zhì)的凝膠為主，然而大部分凝膠的機械性能、耐用穩(wěn)定性和離子壓電性能不足，難以適應(yīng)更復(fù)雜的特殊環(huán)境，并在承載較大壓力和頻繁使用的條件下難以保持穩(wěn)定的離子壓電性能，這極大地限制了離子壓電器件的實際應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種皮革離子壓電器件及其制備方法和應(yīng)用，針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的離子壓電器件的機械性能、耐用穩(wěn)定性和離子壓電性能不足，難以適應(yīng)更復(fù)雜的特殊環(huán)境，并在承載較大壓力和頻繁使用的條件下難以保持穩(wěn)定的離子壓電性能的問題，本發(fā)明所提供的一種皮革離子壓電器件能夠具備優(yōu)異的機械性能、耐濕熱穩(wěn)定性、耐用性和耐腐蝕性，便于運輸、儲存和重復(fù)使用；通過將若干個不同皮革離子壓電器件的受力電極和參考電極依次連接，可以形成閉環(huán)電路，輸出電流，實現(xiàn)機械能向電能的有效轉(zhuǎn)換；與傳統(tǒng)離子壓電材料相比，還具有培養(yǎng)條件簡單、生物量大、可再生及可生物降解等優(yōu)點；本發(fā)明所提供的一種皮革離子壓電器件的制備方法，通過將浸酸后的生皮進行鞣制、復(fù)鞣和電解質(zhì)處理，得到離子皮革；將離子皮革裁切，并制成器件本體；最后，將受力電極和參考電極分別貼附在器件本體下方的兩端，完成皮革離子壓電器件的制備；本發(fā)明制備方法原料廉價易得，制備成本低、工藝簡單、可大批量生產(chǎn)，制備的離子壓電器件機械性能和耐用溫度性好，適于更復(fù)雜的特殊環(huán)境和承載較大壓力的實際場景下的機械能收集發(fā)電，應(yīng)用范圍廣；本發(fā)明所提供的一種離子壓電發(fā)電機，通過采用皮革離子壓電器件作為核心發(fā)電單元，該發(fā)電機能夠有效地將外界的機械能(如壓力、振動等)轉(zhuǎn)化為電能，皮革材料不僅具備良好的柔韌性和耐用性，還因其獨特的離子傳輸特性，在受到壓力時能夠顯著促進離子遷移，從而實現(xiàn)高效的壓電效應(yīng)；本發(fā)明所提供的一種離子壓電發(fā)電機的制備方法，通過將若干個皮革離子壓電器件的受力電極和參考電極通過電壓器串聯(lián)，該設(shè)計顯著增強了發(fā)電機的輸出電壓；串聯(lián)連接可以累加每個器件產(chǎn)生的電壓，從而提高整體電能輸出的穩(wěn)定性和效率，滿足更多對電壓有較高要求的電子設(shè)備或系統(tǒng)；本發(fā)明所提供的一種皮革離子壓電器件在組裝離子壓電發(fā)電機上的應(yīng)用，旨在收集人體或機器未利用的機械能發(fā)電，具有體積小、質(zhì)量輕、方便攜帶、成本低的優(yōu)點。

2、為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種皮革離子壓電器件的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)將浸酸后的生皮進行鞣制、復(fù)鞣和電解質(zhì)處理，得到離子皮革；

5、(2)將離子皮革裁切，制成器件本體；

6、(3)將受力電極和參考電極分別貼附在器件本體底部的兩側(cè)，得到皮革離子壓電器件；

7、進一步地，所述步驟一具體為：

8、(1-1)將浸酸后的生皮投入鹽和水的體系中，加入堿后轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)ph值，形成第一混合體系；

9、(1-2)向第一混合體系中分兩次加入栲膠，形成第二混合體系，繼續(xù)轉(zhuǎn)動；

10、(1-3)待栲膠充分滲透至皮內(nèi)后，向第二混合體系中平均分四次加入酸，再次調(diào)節(jié)ph值，形成第三混合體系，然后依次進行擴液，升溫，繼續(xù)轉(zhuǎn)動，停鼓，靜置，得到植鞣革；

11、(1-4)將植鞣革撈出，清洗后投入醛鞣劑和水的體系中，形成第四混合體系，進行升溫，持續(xù)轉(zhuǎn)動后，得到植-醛鞣革；

12、(1-5)將植-醛鞣革撈出，再次清洗后投入電解質(zhì)和水的體系中轉(zhuǎn)動，形成第五混合體系，待離子充分滲透皮革內(nèi)部后，出鼓，得到離子皮革；

13、進一步地，所述(1-1)～(1-3)中生皮、鹽、水、堿、栲膠、酸的質(zhì)量比為(100～200):(8～16):(100～200):(1～2):(20～40):(0.5～1)；所述(1-4)中醛鞣劑和水的質(zhì)量比為(5～10):(100～200)；所述(1-5)中電解質(zhì)和水的質(zhì)量比為(20～40):(100～200)；

14、進一步地，所述(1-1)中的鹽為nacl、na2so4或nano3；所述(1-1)中的堿為na2co3或nahco3；所述(1-1)中轉(zhuǎn)動具體為：在20～25℃下轉(zhuǎn)動0.5～1h；所述(1-1)中調(diào)節(jié)ph值至4.5；所述(1-2)中的栲膠為荊樹、堅木、落葉松、余甘、楊梅、橡椀、馬占相思或塔拉；所述(1-2)中分兩次加入栲膠，間隔的時間為1h；所述(1-2)中繼續(xù)轉(zhuǎn)動具體為：在20～25℃下繼續(xù)轉(zhuǎn)動2～3h；

15、進一步地，所述(1-3)中的酸為hcooh、ch3cooh或h2so4；所述(1-3)中平均分四次加入酸，每次間隔的時間為15min；所述(1-3)中再次調(diào)節(jié)ph值至3.5；所述(1-3)中繼續(xù)轉(zhuǎn)動的時間為2～3h；所述(1-3)中擴液的液比為200％；所述(1-3)中升溫的溫度為40～45℃；所述(1-3)中靜置的時間為12h；所述(1-4)中的醛鞣劑為ch2o、c5h8o2或改性c5h8o2；所述(1-4)中持續(xù)轉(zhuǎn)動的時間為3～4h；所述(1-4)中升溫的溫度為40～45℃；

16、進一步地，所述(1-5)中的電解質(zhì)為離子液體、酸、堿、強電解質(zhì)鹽或弱電解質(zhì)鹽；所述離子液體為bmim:cl、emim:bf4或emim:dca；所述酸為hcl、h2so4或hno3；所述堿為naoh或koh；所述強電解質(zhì)鹽為licl、nacl、kcl、na2so4、nano3或natfsi；所述弱電解質(zhì)鹽為hcoona、ch3coona、na3c6h5o7、nakc4h4o6、na2co3或nahco3；所述(1-5)中的轉(zhuǎn)動具體為：在20～25℃下轉(zhuǎn)動2～3h；

17、一種皮革離子壓電器件，基于上述的一種皮革離子壓電器件的制備方法得到，包括器件本體，器件本體的底部兩側(cè)分別安裝有受力電極和參考電極。

18、一種離子壓電發(fā)電機的制備方法，基于上述的一種皮革離子壓電器件，包括以下步驟：

19、(1)將若干個皮革離子壓電器件的受力電極和參考電極依次串聯(lián)；

20、(2)在串聯(lián)的若干個皮革離子壓電器件上部安裝非對稱施壓板，然后采用柔性封裝薄膜進行封裝，得到一種由若干個皮革離子壓電器件集成的離子壓電發(fā)電機。

21、一種離子壓電發(fā)電機，基于上述的一種離子壓電發(fā)電機的制備方法得到，包括柔性封裝薄膜，柔性封裝薄膜的內(nèi)部設(shè)置有若干個皮革離子壓電器件，若干個皮革離子壓電器件的上部安裝有非對稱施壓板；所述若干個皮革離子壓電器件的受力電極和參考電極通過電壓器串聯(lián)。

22、一種根據(jù)上述的一種皮革離子壓電器件在組裝離子壓電發(fā)電機上的應(yīng)用，用于收集人體或機器未利用的機械能發(fā)電。

23、上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)勢或者有益效果：

24、本發(fā)明提供了一種皮革離子壓電器件的制備方法，將浸酸后的生皮進行鞣制處理，鞣制使皮革具有穩(wěn)定性和耐用性；通過鞣劑能夠與皮革中的膠原纖維結(jié)合，形成穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)；通過復(fù)鞣能夠在鞣制基礎(chǔ)上進一步加固皮革的結(jié)構(gòu)和性能；為了賦予皮革離子導(dǎo)電性，需要進行電解質(zhì)處理，通過引入電解質(zhì)溶液，使皮革內(nèi)部充滿可自由移動的離子，從而在受到壓力時能夠產(chǎn)生電勢差；將經(jīng)過電解質(zhì)處理后的離子皮革裁切成適當大小和形狀的器件本體，裁切過程中確保皮革的平整度和尺寸精度，以滿足后續(xù)電極貼附的要求。

25、進一步地，浸酸的生皮經(jīng)栲膠和醛鞣劑結(jié)合鞣制后，栲膠與皮膠原纖維上的羧基、氨基和羥基形成多點的氫鍵結(jié)合，而醛鞣劑則與皮膠原纖維上的氨基發(fā)生席夫堿反應(yīng)，顯著增強了皮膠原纖維的電負性，經(jīng)鞣制后的皮革具備優(yōu)異的機械性能、耐濕熱穩(wěn)定性、耐用性和耐腐蝕性，便于運輸、儲存和重復(fù)使用；引入電解質(zhì)溶液后，皮革膠原纖維的多孔徑和多層級結(jié)構(gòu)為離子的快速移動提供了良好的通道，當皮革材料受到外部壓力而產(chǎn)生非均勻機械形變時，離子會迅速從形變區(qū)擴散至未形變區(qū)；由于植-醛結(jié)合鞣革中大量電負性官能團(如羧基和羥基)的存在，陽離子和陰離子在擴散過程中會產(chǎn)生短暫的電荷分離，從而在形變區(qū)與未形變區(qū)之間產(chǎn)生電勢差。

26、進一步地，生皮、鹽、水、堿、栲膠和酸的用量比例經(jīng)過精心設(shè)計，確保了鞣制、復(fù)鞣和電解質(zhì)處理過程中皮革的均勻性和一致性；均勻性不僅提升了皮革的機械強度，還保證了其內(nèi)部離子分布的均勻性，進而提高了離子皮革在壓電效應(yīng)中的穩(wěn)定性；醛鞣劑與水的用量比例控制得當，有助于在皮革中形成穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，同時保持皮革的柔軟性和彈性，這一過程中，醛鞣劑還促進了皮革內(nèi)部離子通道的形成，使得離子在受到壓力時能夠更順暢地移動，從而提高了皮革的離子導(dǎo)電性能；電解質(zhì)與水的用量比例優(yōu)化后，電解質(zhì)在皮革中的分布更加均勻且濃度適中，使得在受到壓力時，皮革內(nèi)部的離子能夠更有效地遷移和重新分布，從而產(chǎn)生更強的電勢差和更高的壓電輸出。

27、進一步地，用nacl、na2so4或nano3作為(1-1)中的鹽，在皮革加工中具有良好的溶解性和滲透性，有助于去除生皮中的雜質(zhì)并促進后續(xù)鞣制過程的進行；選擇na2co3或nahco3作為(1-1)中的堿，不僅能夠有效中和生皮中的酸性物質(zhì)，還能促進皮革的膨脹和軟化，為后續(xù)鞣制創(chuàng)造有利條件；在20～25℃下轉(zhuǎn)動0.5～1h，有利于保持酶的活性和化學(xué)反應(yīng)的平穩(wěn)進行，避免了高溫或低溫對皮革質(zhì)量的不良影響；調(diào)節(jié)ph值至4.5，這一ph值有利于鞣制過程中金屬離子與皮革膠原纖維的結(jié)合，形成穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)；選用荊樹、堅木、落葉松、余甘、楊梅、橡椀、馬占相思或塔拉等天然植物栲膠作為(1-2)中的鞣劑，不僅環(huán)保且富含鞣質(zhì)，能夠與皮革中的膠原纖維緊密結(jié)合，提高皮革的收縮溫度和耐濕熱穩(wěn)定性；分兩次加入栲膠，并間隔1小時，有助于栲膠在皮革中的均勻分布和充分滲透，從而提高鞣制效果；在20～25℃下繼續(xù)轉(zhuǎn)動2～3h確保了栲膠與皮革的充分反應(yīng)和結(jié)合，進一步鞏固了皮革的結(jié)構(gòu)和性能。

28、進一步地，選用hcooh、ch3cooh或h2so4作為(1-3)中的酸，以調(diào)節(jié)ph值至3.5，能夠更有效地去除皮革中的雜質(zhì)和松弛膠原纖維，為后續(xù)處理創(chuàng)造更好的條件；分四次加入酸，每次間隔15分鐘，分步加酸的方式有助于酸液在皮革中的均勻分布和充分滲透，避免了因一次性加入過多酸液而導(dǎo)致的局部過酸現(xiàn)象；擴液的液比設(shè)定為200％，有助于增加皮革與酸液或后續(xù)處理液的接觸面積，提高處理效果；升溫的溫度為40～45℃促進了皮革內(nèi)部物質(zhì)的溶解和擴散，同時避免了高溫對皮革的損害；長時間的靜置過程使得皮革內(nèi)部物質(zhì)能夠充分反應(yīng)和沉淀，進一步提高了皮革的質(zhì)量和穩(wěn)定性；選用ch2o、c5h8o2或改性c5h8o2作為(1-4)中的醛鞣劑，醛鞣劑能夠與皮革中的膠原纖維發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；持續(xù)轉(zhuǎn)動的時間為3～4h并在40～45℃下升溫，確保了醛鞣劑與皮革的充分接觸和反應(yīng)，提高了醛鞣效果。經(jīng)過上述優(yōu)化處理后的皮革，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密且離子通道更加暢通，在后續(xù)的電解質(zhì)處理過程中，電解質(zhì)能夠更容易地滲透到皮革內(nèi)部并均勻分布，從而提高了皮革的離子導(dǎo)電性能。

29、進一步地，電解質(zhì)的選擇范圍廣泛，使得制備過程可以根據(jù)具體需求調(diào)整電解質(zhì)的種類和濃度，從而優(yōu)化皮革的離子導(dǎo)電性能、機械強度以及壓電效應(yīng)，特定的離子液體和其他電解質(zhì)具有良好的滲透性和溶解性，能夠更容易地滲透到皮革內(nèi)部，并與皮革中的膠原纖維相互作用，有助于在皮革內(nèi)部形成更加均勻和穩(wěn)定的離子分布網(wǎng)絡(luò)，提高離子在受到壓力時的遷移效率和壓電輸出性能；在20～25℃下轉(zhuǎn)動2～3h，有利于電解質(zhì)在皮革中的均勻分布和充分滲透，同時還避免了高溫對皮革的潛在損害，確保了處理過程的安全性和可控性。

30、本發(fā)明還提供了一種皮革離子壓電器件，器件本體采用皮革材料制成，皮革具有三維多孔結(jié)構(gòu)，由多層膠原纖維束組成，為離子的運動提供了大量且優(yōu)良的孔徑通道；受力電極安裝在器件本體底部的一側(cè)，用于接收外部壓力信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號，當外部壓力作用于器件本體時，皮革內(nèi)部的離子分布會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電勢差，進而在受力電極上產(chǎn)生電信號；參考電極安裝在器件本體底部的另一側(cè)，但不與受力電極直接相連，能夠提供一個穩(wěn)定的參考電位，以便與受力電極上產(chǎn)生的電信號進行比較和測量；本發(fā)明皮革離子壓電器件對外部壓力的變化能夠具備較高的靈敏度，具備優(yōu)異的機械性能、耐濕熱穩(wěn)定性、耐用性和耐腐蝕性，便于運輸、儲存和重復(fù)使用，同時，離子的快速移動使得器件能夠迅速響應(yīng)外部壓力信號，實現(xiàn)實時監(jiān)測和測量。

31、本發(fā)明還提供了一種離子壓電發(fā)電機的制備方法，步驟清晰，易于操作，通過將若干個皮革離子壓電器件的受力電極和參考電極依次串聯(lián)，并在上部安裝非對稱施壓板，最后采用柔性封裝薄膜進行封裝，即可得到完整的離子壓電發(fā)電機，簡化了制備過程，提高了生產(chǎn)效率；通過將多個皮革離子壓電器件串聯(lián)集成在一起，顯著提高了發(fā)電機的集成度，不僅使得發(fā)電機在體積上更加緊湊，還能夠在相同體積下提供更多的壓電轉(zhuǎn)換單元，從而提高了發(fā)電機的整體輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率。

32、本發(fā)明還提供了一種離子壓電發(fā)電機，通過將若干個皮革離子壓電器件集成在柔性封裝薄膜內(nèi)部，能夠更有效地捕獲并轉(zhuǎn)換外部機械能為電能；皮革離子壓電器件獨特的壓電效應(yīng)和離子導(dǎo)電性能，使得這種發(fā)電機在受到非對稱施壓板的壓力作用時，能夠產(chǎn)生顯著的電壓和電流輸出；柔性封裝薄膜為內(nèi)部的皮革離子壓電器件提供了良好的保護，防止了外部環(huán)境因素(如濕度、灰塵、沖擊等)對器件的損害；通過將若干個皮革離子壓電器件的受力電極和參考電極通過電壓器串聯(lián)起來，可以進一步提高發(fā)電機的整體輸出電壓，使得多個壓電器件產(chǎn)生的電壓能夠相互疊加，從而提高了發(fā)電機的能量收集效率。

33、本發(fā)明還提供了一種皮革離子壓電器件在組裝離子壓電發(fā)電機上的應(yīng)用，能夠高效地回收和再利用原本被浪費的人體或機器運動產(chǎn)生的機械能，通過皮革離子壓電器件轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)了能量的有效回收和利用，提高了能源利用效率；將該裝置安裝在鞋墊夾層中，利用人行走產(chǎn)生的壓力發(fā)電，還可以實時監(jiān)測人體運動狀態(tài)。