CN109206657A - 一种摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法及其在纳米新能源中的应用。带有电正性的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备方法简单，制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料失电子能力强，成本低，性能高。使用摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料作为正极材料制备的摩擦纳米发电机可以应用于能源器件中或传感器中。使用摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备的摩擦纳米发电机输出电压高，功率高，输出稳定；制备的自驱动传感器灵敏度高，性能稳定。属于纳米新能源领域。

Description

一种摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复 合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米新能源领域，更具体地，涉及一种基于摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料及其制备方法。
背景技术
通过纳米发电机将生活中和自然界的机械能转化为电能是近年来新兴的一种可持续能源再生技术。相比传统压电纳米发电机，摩擦纳米发电机具有高能量转化率、高输出功率，高灵敏度，高适应性，和低成本等优势，因而受到了广泛的重视。摩擦纳米发电机是基于两种具有不同电子吸附能力材料接触时产生的电荷转移作用，在两种材料分离时产生电势差，从而导致纳米发电机外接电路中的电子流动形成电流，进而通过两种材料的不断接触与分离实现机械能向电能的转化。
因此，影响摩擦纳米发电机性能的重要因素是摩擦纳米发电机中使用材料产生电荷转移的能力。而材料产生电荷转移的能力一方面取决于材料本身的得电子和失电子能力，另一方面取决于材料的表面结构和微观结构。目前，常用的柔性摩擦静电材料中，具有较强得电子能力的电负性材料较多，而具有较强失电子能力的电正性材料却十分匮乏。在摩擦静电序列表中电正性材料较强的材料（例如，毛发、玻璃、皮革）多难以加工成型。而且，通常基于平面薄膜材料制备的摩擦纳米发电机输出功率低，成本高。因此，开发基于纳米多孔结构的复合材料的纳米发电机是提高摩擦纳米发电机性能的重要发展方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种摩擦纳米发电机和自驱动传感器用复合材料的制备方法，该制备方法简便，用料少，成本低，制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料为高性能的正极材料。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.将纤维素分散在水中配制成溶液；
S2.将动物毛发进行预处理；
S3.在步骤S1的溶液中加入步骤S2处理好的动物毛发，搅拌，预冻之后进行冷冻干燥得到气凝胶；
S4.将S3中制备的气凝胶压缩成薄膜。
进一步地，步骤S3所述动物毛发的加入量为纤维素质量的50%~150%。
进一步地，步骤S3所述预冻的时间为1h；所述冷冻干燥的时间为3天。
进一步地，所述步骤S1中溶液中纤维素浓度为1%~3%。
进一步地，步骤S3所述气凝胶为三维多孔气凝胶，所述气凝胶的孔隙率90%以上。
进一步地，所述动物毛发为兔毛、头发、鼠毛、羊毛或狗毛中的任意一种。
进一步地，步骤S2所述动物毛发预处理为：使用清水与乙醇洗净动物毛发并干燥1h。
优选地，步骤S3所述薄膜厚度为0.2mm。
一种所述制备方法制备得到的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料。
一种摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的应用，将所述摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料应用于摩擦纳米发电机和自驱动传感器。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明中的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备方法简单易操作，制备的复合材料失电子能力强，导电性好，且原材料成本低，均为绿色可降解、可再生材料。
本发明制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料为三维多孔气凝胶薄膜，用料更少，成本更低，且气凝胶薄膜可以增大材料比表面积和表面粗糙度，提高了单位体积电荷密度。
本发明中基于摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的摩擦纳米发电机质量轻，制备出摩擦纳米发电机输出电压高，电流大，功率高，电能输出稳定。
本发明中基于摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的自驱动传感器灵敏度高、信号输出稳定，可检测微小应力和应变。
附图说明
图1为实施例1制备的纤维素/头发复合材料的扫描电子显微镜照片；
图2为实施例2制备的纤维素/兔毛复合材料的扫描电子显微镜照片；
图3为对比例1中基于1% 纤维素溶液制备的纤维素材料制备的摩擦纳米发电机的电压输出信号；
图4为对比例1中基于1% 纤维素溶液制备的纤维素材料制备的摩擦纳米发电机的电流输出信号；
图5为实施例1中基于1% 纤维素/头发溶液制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备的摩擦纳米发电机的电压输出信号；
图6为实施例1中基于1% 纤维素/头发溶液制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备的摩擦纳米发电机的电流输出信号；
图7为实施例2中基于1% 纤维素/兔毛溶液制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备的摩擦纳米发电机的电压输出信号；
图8为实施例2中基于1% 纤维素/兔毛溶液制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备的摩擦纳米发电机的电流输出信号；
图9为本发明提供的摩擦纳米发电机的结构示意图；
附图编号说明：1.集电器2.负极气凝胶3.硅胶4.正极纤维素/动物皮毛复合材料5.集电器6.电流引线；
图10为实施例2中基于1% 纤维素/兔毛溶液制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备的摩擦纳米发电机外接不同电阻时的输出能量密度和电流密度；
图11为实施例2中基于1% 纤维素/兔毛溶液制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备的纳米发电机通过整流电路外接不同电容器时的充电性能；
图12为实施例2中基于1% 纤维素/兔毛溶液制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备的纳米发电机连续工作30分钟的电压信号稳定性结果；
图13为实施例2中基于1% 纤维素/兔毛溶液制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备的自驱动传感器监测从不同高度落下水滴的信号结果；
图14为实施例2中基于1% 纤维素/兔毛溶液制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料制备的自驱动传感器监测基体振动幅度的信号结果。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
本实施例提供一种摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.称取0.05g纤维素分散在5mL水中制备1%的纤维素溶液；
S2.使用清水与乙醇洗净头发，并在真空干燥箱中干燥1h；
S3.在步骤S1溶液中加入与纤维素等质量的头发，搅拌使头发在溶液中充分分散，将混合溶液在–80°C预冻1h，将预冻后的混合溶液在温度为–80°C、压强为0.4mBar条件下冷冻干燥3天，得到纤维素/头发气凝胶；
S4.将步骤S3制备的气凝胶压缩成厚度为0.2 mm的薄膜，即获得摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/头发复合材料。
实施例2
本实施例的复合材料的制备方法参照实施例1，不同之处在于：采用的动物毛发为兔毛，兔毛的质量与纤维素相同，制备得到的复合材料为纤维素/兔毛复合材料。
实施例3
本实施例提供一种摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
采用头发与纤维素制备复合多孔材料。
S1.称取0.15g纤维素分散在5mL水中制备3%的纤维素溶液；
S2.使用清水与乙醇洗净头发，并在真空干燥箱中干燥1h；
S3.在S1中的纤维素溶液中加入纤维素质量的50%的头发，搅拌使头发在溶液中充分分散，将混合溶液在–80°C预冻1h，将预冻后的混合溶液在温度为–80°C、压强为0.4mBar条件下冷冻干燥3天，得到气凝胶；
S4.将步骤S3制备的气凝胶压缩成厚度为0.2 mm的薄膜，即获得摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/头发复合材料。
实施例4
本实施例的复合材料的制备方法参照实施例3，不同之处在于：所述头发的加入量为纤维素质量的150%，制备出头发含量为纤维素质量的150%的复合材料。
实施例5
本实施例的复合材料的制备方法参照实施例3，不同之处在于：所述动物毛发采用兔毛，兔毛的加入量为纤维素质量的50%，制备出兔毛含量为纤维素质量的50%的复合材料。
实施例6
本实施例的复合材料的制备方法参照实施例3，不同之处在于：所述动物毛发采用兔毛，兔毛的加入量为纤维素质量的150%，制备出兔毛含量为纤维素质量的150%的复合材料。
实施例7
本实施例的复合材料的制备方法参照实施例1，不同之处在于：所述动物毛发为羊毛，羊毛的加入量为纤维素质量的100%，制备出羊毛含量为纤维素质量的100%的复合材料。
实施例8
本实施例的复合材料的制备方法参照实施例1，不同之处在于：所述动物毛发为鼠毛，鼠毛的加入量为纤维素质量的100%。，制备出鼠毛含量为纤维素质量的100%的复合材料。
实施例9
本实施例的复合材料的制备方法参照实施例1，不同之处在于：所述动物毛发为狗毛，狗毛的加入量为纤维素质量的100%，制备出狗毛含量为纤维素质量的100%的复合材料。
对比例1
本对比例参照实施例1的制备方法，与实施例1的区别在于，本对比例中未加入动物毛发。
本对比例制备的正极材料与实施例1所制备的正极材料相比，产生的电压与电流小，输出功率低，能量转化效率低。
分别对实施例1与实施例2所制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料进行扫描电镜观察，结果见图1、图2。
由图1~2可知，本发明所制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料得孔隙率高，纤维素与动物毛发的结合情况良好
分别将实施例1~2和对比例1制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料应用于摩擦纳米发电机，并检测摩擦纳米发电机的电压与电流的输出情况，具体结果见图3~8。
其中，摩擦纳米发电机包括正极材料、负极材料、隔离块和电极薄膜（集电器），正极材料分别采用实施例1~2制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用复合材料和对比例1制备的材料；负极材料为聚酰亚胺薄膜；隔离块选用硅胶；电极薄膜选用氧化铟锡涂覆的导电聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，摩擦纳米发电机的具体结构见图9。
由图3~8可知，未加入动物毛发的材料产生的电压与电流小，加入了动物毛发的复合材料产生的电压与电流大，输出功率高，能量转化效率高。
将实施例2制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用复合材料应用于摩擦纳米发电机，对该摩擦纳米发电机的各项性能进行检测，包括检测将摩擦纳米发电机外接不同电阻时的输出能量密度和电流密度，将摩擦纳米发电机通过整流电路外接不同电容器时的充电性能，以及摩擦纳米发电机连续工作30分钟的电压信号稳定性检测。具体检测结果见图10~12。
由图10可知，采用纤维素/兔毛复合材料制备的摩擦纳米发电机具备高性能、高输出功率的特点，在外接4.7MΩ电阻时有最大输出功率3.5W/m2。
由图11可知，采用纤维素/兔毛复合材料的摩擦纳米发电机充电性能稳定。
由图12可知，采用纤维素/兔毛复合材料的摩擦纳米发电机连续工作性能稳定，电压输出稳定性良好。
将实施例2制备的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用复合材料应用于自驱动传感器，并对该自驱动传感器用于检测不同高度落下水滴的信号结果和基体振动幅度的信号结果，具体检测结果见图13~14。
由图13可知，采用纤维素/兔毛复合材料制备的自驱动传感器可检测不同高度水滴落下产生的电信号，检测灵敏度高。
由图14可知，采用纤维素/兔毛复合材料制备的自驱动传感器可检测不同振动幅度产生的电信号，检测灵敏度高。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.将纤维素分散在水中配制成溶液；
S2.将动物毛发进行预处理；
S3.在步骤S1的溶液中加入步骤S2处理好的动物毛发，搅拌，预冻之后进行冷冻干燥得到气凝胶；
S4.将S3中制备的气凝胶压缩成薄膜。
2.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3所述动物毛发的加入量为纤维素质量的50％～150％。
3.据权利要求1所述摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3所述预冻的时间为1h；所述冷冻干燥的时间为3天。
4.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中溶液中纤维素浓度为1％～3％。
5.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3所述气凝胶为三维多孔气凝胶，所述气凝胶的孔隙率90％以上。
6.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2所述动物毛发为兔毛、头发、鼠毛、羊毛或狗毛中的任意一种。
7.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2所述预处理为：使用清水与乙醇洗净动物毛发并干燥1h。
8.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4所述薄膜厚度为0.2mm。
9.一种如权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料。
10.一种权利要求9所述摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料的应用，其特征在于，将所述摩擦纳米发电机和自驱动传感器用纤维素/动物毛发复合材料应用于摩擦纳米发电机和自驱动传感器。
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