CN110212806A - 一种基于3d纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法 - Google Patents

一种基于3d纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110212806A
CN110212806A CN201910460546.8A CN201910460546A CN110212806A CN 110212806 A CN110212806 A CN 110212806A CN 201910460546 A CN201910460546 A CN 201910460546A CN 110212806 A CN110212806 A CN 110212806A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cellulose
friction layer
layer
electrode
power generator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910460546.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110212806B (zh
Inventor
高萌
千存存
李立宏
张正健
宋延林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University of Science and Technology
Original Assignee
Tianjin University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University of Science and Technology filed Critical Tianjin University of Science and Technology
Priority to CN201910460546.8A priority Critical patent/CN110212806B/zh
Publication of CN110212806A publication Critical patent/CN110212806A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110212806B publication Critical patent/CN110212806B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators

Landscapes

  • Ink Jet Recording Methods And Recording Media Thereof (AREA)
  • Printing Methods (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法，其特征在于：所述制备方法的步骤为：1)电极打印；2)纤维素基正摩擦层墨水配制；3)3D纤维素基正摩擦层打印；4)3D纤维素气凝胶基正摩擦层制备；5)负摩擦层与电极附着；6)摩擦纳米发电机组装。本发明操作方便，制备快速，可同时获得纤维素基图案化及内部多孔结构的摩擦层，提高接触面积及接触距离，制备具有高输出电压的摩擦纳米发电机。

Description

一种基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法
技术领域
本发明属于纳米功能器件制备领域，涉及纳米发电机，特别涉及一种基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法。
背景技术
随着能源危机的不断加剧，从环境中的可持续资源中获取能源成为能源发展的重要趋势。纳米发电机因其将随处可见的机械运动、潮汐、风动等机械能等转换为电能的独特性质越来越受到研究人员的关注。其中，摩擦纳米发电器件利用摩擦生电效应，不同电子亲和性的材料接触时产生电荷转移，正摩擦层材料电负性低易失电子，负摩擦层材料电负性高易得电子，在两种材料分离时产生电势差，从而导致器件的外界电路中电子流动性成电流，从而实现机械能向电能得转换。
为了提高器件的性能，科研工作者尝试制备多孔、图案化摩擦层的摩擦纳米发电机。多孔、图案化的结构导致电子传输通道增多、正负摩擦层接触面积增大，灵敏的电子传输速度和有效的接触面积大幅度的提高摩擦电性能。但传统的微纳加工等制备方法，步骤复杂，耗时较长，且成本较高，价格昂贵。
因而，开发一种适用于制备方法简单、快速、节约成本的纤维素基高性能摩擦纳米发电机一直以来是研究的热点之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法。本发明操作方便，制备快速，可同时获得纤维素基图案化及内部多孔结构的摩擦层，提高接触面积及接触距离，制备具有高输出电压的摩擦纳米发电机。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法，其特征在于：所述制备方法的步骤为：
1)电极打印：将电极墨水注入直接书写打印机墨盒内，将打印基材固定在打印平台上，用打印喷头按照图文信息将电极墨水直接书写在打印基材上，形成电极；
2)纤维素基正摩擦层墨水配制：将原生木浆通过氧化法制备得到纤维素纳米纤维，所述纤维素纳米纤维与粘度调节剂混合并离心去除气泡，得到可用于打印的纤维素基正摩擦层墨水；
3)3D纤维素基正摩擦层打印：将纤维素基墨水注入直接书写打印机墨盒内，将打印基材固定在打印平台上并使打印有电极的面向上，调整打印喷头并按照图文信息将纤维素基正摩擦层墨水直接书写在低温电极上，得到3D纤维素基正摩擦层；
4)3D纤维素气凝胶基正摩擦层制备：将3D纤维素基正摩擦层放入冷冻干燥机中冷冻干燥，使纤维素内部形成气孔变为气凝胶，得到3D纤维素气凝胶基正摩擦层，即正摩擦层-电极层；
5)负摩擦层与电极附着：将负摩擦层材料粘贴在步骤1)得到的打印电极上得到负摩擦层-电极层；
6)摩擦纳米发电机组装：将步骤4)和5)得到的正摩擦层-电极层与负摩擦层-电极层组装成上下可垂直接触分离式的双层结构，其中3D纤维素气凝胶基正摩擦层与负摩擦层接触，得到摩擦纳米发电机。
而且，所述步骤1)中电极墨水的材料可以为金属纳米材料或碳材料的水溶液，所述金属纳米材料为纳米金或纳米银，所述碳材料为石墨烯或碳纳米管；所述的基材选自对苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸或玻璃。
而且，所述步骤2)中粘度调节剂选自纤维素粉末、壳聚糖或甲壳素，纤维素纳米纤维与粘度调节剂比例混合为5：1～20：1，且墨水粘弹特性为在剪切应变10％以下弹性模量大于粘性模量；墨水离心时间为5-30min，离心的转速为1000-8000rpm。
而且，所述步骤1)与步骤3)中直接书写所用的空气压力为10-70psi，以打印速度为0.01-50mm/s；步骤3)中打印的3D纤维素基正摩擦层厚度为800μm-6mm；低温电极的温度为-20～0℃。
而且，所述步骤4)中，冷冻干燥温度为-70～20℃，冷冻干燥时间大于3h。
而且，所述步骤5)负摩擦层材料选自聚二甲基硅氧烷、聚偏二氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯或聚对苯二甲酸。
本发明的优点和有益效果为：
本发明创新采用直接书写这一简单、快捷、便宜的方法同时获得纤维素的图案化及多孔结构这两种特征，该方法增大了摩擦纳米发电机的输出电压，从而有效地提高了其性能。
附图说明
图1为本发明的方法示意图；
图2为本发明得纤维素摩擦层的光学显微镜图；
图3为本发明纤维素摩擦层中纤维素气凝胶的横截面电子显微镜图；
图4为本发明方法制备的摩擦纳米发电机实物图；
图5为本发明方法制备的摩擦纳米发动机的输出电压图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本实施例中使用的直接书写打印机为美国Nordson EFD公司2400多轴移动平台控制的Ultimus I气动流体点胶系统。
一种基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法，其创新之处在于：该制备方法的步骤为：
1)电极打印：以聚对苯二甲酸乙二醇酯作为打印基材，打印基材大小为3.4cm*3.4cm；将3g纳米银墨水注入直接书写打印机墨盒内，将打印基材固定在打印平台上，用直径为510μm的打印喷头按照图文信息将电极墨水在20psi的空气压力下以10mm/s的速度直接书写在打印基材上，形成电极；
2)纤维素基正摩擦层墨水配制：将原生木浆通过氧化法制备得到纤维素纳米纤维，所述纤维素纳米纤维与粘度调节剂纤维素粉末以10:1比例混合，并在离心机中以4000r/min的转速离心5min去除气泡，得到可用于打印的纤维素基正摩擦层墨水；
3)3D纤维素基正摩擦层打印：将3g正摩擦层墨水注入直接书写打印机墨盒内，将打印基材固定在打印平台上并使打印有电极的面向上，选用直径840μm的打印喷头按照图文信息将正摩擦层墨水在30psi的空气压力下以10mm/s的速度直接书写在温度为-10℃的电极上，打印的图案为垂直交叉网状结构，两条相邻的平行线间的间距为1.6mm，线条宽度为900μm。
4)3D纤维素气凝胶基正摩擦层制备：将3D纤维素基正摩擦层放入冷冻干燥机中冷冻，冷冻温度为-50℃，冷冻时间大于3h，得到面积为3.2cm*3.2cm的3D垂直交叉结构图案化的纤维素气凝胶基正摩擦层；
5)负摩擦层与电极附着：选用聚二甲基硅氧烷作为负摩擦层材料与步骤1)的打印电极附着。
6)摩擦纳米发电机组装：将步骤4)和5)得到的正摩擦层-电极层与负摩擦层-电极层组装成上下可垂直接触分离式的双层结构，其中3D纤维素气凝胶基正摩擦层与聚二甲基硅氧烷负摩擦层接触，得到摩擦纳米发电机。
本发明制备的摩擦纳米发电机进行接触分离发电测试，测试时的分离位移为7cm，压力为4N，频率为4Hz，得到的输出电压为～55.8V。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法，其特征在于：所述制备方法的步骤为：
1)电极打印：将电极墨水注入直接书写打印机墨盒内，将打印基材固定在打印平台上，用打印喷头按照图文信息将电极墨水直接书写在打印基材上，形成电极；
2)纤维素基正摩擦层墨水配制：将原生木浆通过氧化法制备得到纤维素纳米纤维，所述纤维素纳米纤维与粘度调节剂混合并离心去除气泡，得到可用于打印的纤维素基正摩擦层墨水；
3)3D纤维素基正摩擦层打印：将纤维素基墨水注入直接书写打印机墨盒内，将打印基材固定在打印平台上并使打印有电极的面向上，调整打印喷头并按照图文信息将纤维素基正摩擦层墨水直接书写在低温电极上，得到3D纤维素基正摩擦层；
4)3D纤维素气凝胶基正摩擦层制备：将3D纤维素基正摩擦层放入冷冻干燥机中冷冻干燥，使纤维素内部形成气孔变为气凝胶，得到3D纤维素气凝胶基正摩擦层，即正摩擦层-电极层；
5)负摩擦层与电极附着：将负摩擦层材料粘贴在步骤1)得到的打印电极上得到负摩擦层-电极层；
6)摩擦纳米发电机组装：将步骤4)和5)得到的正摩擦层-电极层与负摩擦层-电极层组装成上下可垂直接触分离式的双层结构，其中3D纤维素气凝胶基正摩擦层与负摩擦层接触，得到摩擦纳米发电机。
2.根据权利要求1所述的基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法，其特征在于：所述步骤1)中电极墨水的材料可以为金属纳米材料或碳材料的水溶液，所述金属纳米材料为纳米金或纳米银，所述碳材料为石墨烯或碳纳米管；所述的基材选自对苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸或玻璃。
3.根据权利要求1所述的基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法，其特征在于：所述步骤2)中粘度调节剂选自纤维素粉末、壳聚糖或甲壳素，纤维素纳米纤维与粘度调节剂比例混合为5：1～20：1，且墨水粘弹特性为在剪切应变10％以下弹性模量大于粘性模量；墨水离心时间为5-30min，离心的转速为1000-8000rpm。
4.根据权利要求1所述的基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法，其特征在于：所述步骤1)与步骤3)中直接书写所用的空气压力为10-70psi，以打印速度为0.01-50mm/s；步骤3)中打印的3D纤维素基正摩擦层厚度为800μm-6mm；低温电极的温度为-20～0℃。
5.根据权利要求1所述的基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，冷冻干燥温度为-70～20℃，冷冻干燥时间大于3h。
6.根据权利要求1所述的基于3D纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法，其特征在于：所述步骤5)负摩擦层材料选自聚二甲基硅氧烷、聚偏二氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯或聚对苯二甲酸。
CN201910460546.8A 2019-05-30 2019-05-30 一种基于3d纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法 Active CN110212806B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910460546.8A CN110212806B (zh) 2019-05-30 2019-05-30 一种基于3d纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910460546.8A CN110212806B (zh) 2019-05-30 2019-05-30 一种基于3d纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110212806A true CN110212806A (zh) 2019-09-06
CN110212806B CN110212806B (zh) 2020-09-11

Family

ID=67789497

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910460546.8A Active CN110212806B (zh) 2019-05-30 2019-05-30 一种基于3d纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110212806B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111355400A (zh) * 2020-02-28 2020-06-30 广西大学 一种全纤维素基摩擦纳米发电机
CN113172877A (zh) * 2021-04-26 2021-07-27 北京纳米能源与系统研究所 基于3d打印制备摩擦纳米发电机的方法及装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102409462A (zh) * 2011-08-31 2012-04-11 青岛大学 一种将无序微纳米纤维打印成有序排列纤维阵列的方法
CN105790635A (zh) * 2016-03-04 2016-07-20 中国科学院化学研究所 一种基于压电纳米棒的直接书写法制备压电纳米发电机的方法
CN106230306A (zh) * 2016-08-09 2016-12-14 中山市天美能源科技有限公司 一种柔性发电薄膜及其制备方法
CN108011034A (zh) * 2017-12-04 2018-05-08 华中科技大学鄂州工业技术研究院 一种用于制备发电装置的方法
WO2018182521A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-04 Nanyang Technological University Wearable triboelectric generator for energy harvesting
CN108964511A (zh) * 2018-08-30 2018-12-07 河南师范大学 一种基于3d打印技术的摩擦纳米发电机及其制作方法
CN109039144A (zh) * 2018-08-30 2018-12-18 河南师范大学 一种基于3d打印技术的柔性摩擦发电装置
CN109412456A (zh) * 2018-11-03 2019-03-01 东华大学 用于将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机及其制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102409462A (zh) * 2011-08-31 2012-04-11 青岛大学 一种将无序微纳米纤维打印成有序排列纤维阵列的方法
CN105790635A (zh) * 2016-03-04 2016-07-20 中国科学院化学研究所 一种基于压电纳米棒的直接书写法制备压电纳米发电机的方法
CN106230306A (zh) * 2016-08-09 2016-12-14 中山市天美能源科技有限公司 一种柔性发电薄膜及其制备方法
WO2018182521A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-04 Nanyang Technological University Wearable triboelectric generator for energy harvesting
CN108011034A (zh) * 2017-12-04 2018-05-08 华中科技大学鄂州工业技术研究院 一种用于制备发电装置的方法
CN108964511A (zh) * 2018-08-30 2018-12-07 河南师范大学 一种基于3d打印技术的摩擦纳米发电机及其制作方法
CN109039144A (zh) * 2018-08-30 2018-12-18 河南师范大学 一种基于3d打印技术的柔性摩擦发电装置
CN109412456A (zh) * 2018-11-03 2019-03-01 东华大学 用于将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
冷强: "基于热释电、摩擦电效应的纳米发电机及其应用的研究", 《万方数据知识服务平台 重庆大学硕士学位论文》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111355400A (zh) * 2020-02-28 2020-06-30 广西大学 一种全纤维素基摩擦纳米发电机
CN113172877A (zh) * 2021-04-26 2021-07-27 北京纳米能源与系统研究所 基于3d打印制备摩擦纳米发电机的方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN110212806B (zh) 2020-09-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Flexible seaweed-like triboelectric nanogenerator as a wave energy harvester powering marine internet of things
Zhang et al. Chemically functionalized cellulose nanofibrils-based gear-like triboelectric nanogenerator for energy harvesting and sensing
Xia et al. Natural cotton-based triboelectric nanogenerator as a self-powered system for efficient use of water and wind energy
Li et al. Flexible transparent electromagnetic interference shielding films with silver mesh fabricated using electric-field-driven microscale 3D printing
Lin et al. Robust triboelectric nanogenerator based on rolling electrification and electrostatic induction at an instantaneous energy conversion efficiency of∼ 55%
Sun et al. Emerging design principles, materials, and applications for moisture-enabled electric generation
Li et al. 3D printed supercapacitor: techniques, materials, designs, and applications
CN106301063B (zh) 一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机及其制备方法
CN110212806A (zh) 一种基于3d纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机全打印制备方法
CN104373295B (zh) 混合式风力发电装置
WO2014169673A1 (zh) 一种转动式静电发电装置
WO2014154017A1 (zh) 一种摩擦电纳米传感器
Li et al. Recent advances on ink-based printing techniques for triboelectric nanogenerators: Printable inks, printing technologies and applications
WO2014139364A1 (zh) 一种套层滑动式摩擦纳米发电机
Zhang et al. Facile fabrication of micro-nano structured triboelectric nanogenerator with high electric output
Yuan et al. Scavenging breeze wind energy (1–8.1 ms− 1) by minimalist triboelectric nanogenerator based on the wake galloping phenomenon
CN107610941A (zh) 柔性超级电容器主体结构的制备工艺
Kong et al. Graphene-based flexible wearable sensors: mechanisms, challenges, and future directions
Wei et al. Moisture electricity generation: Mechanisms, structures, and applications
Zhang et al. High-power triboelectric nanogenerators by using in-situ carbon dispersion method for energy harvesting and self-powered wireless control
Cai et al. Rapid prototyping and customizable multifunctional structures: 3D-printing technology promotes the rapid development of TENGs
Cao et al. Progress on techniques for improving output performance of triboelectric nanogenerators
CN208479970U (zh) 一种石墨纳米片柔性加热膜
Cheng et al. A triboelectric nanogenerator coupled with internal and external friction for gesture recognition based on EHD printing technology
Li et al. Natural sedimentation-assisted fabrication of Janus functional films for versatile applications in Joule heating, electromagnetic interference shielding and triboelectric nanogenerator

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant