CN110212806B - 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

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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。
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