CN111355400A - 一种全纤维素基摩擦纳米发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全纤维素基摩擦纳米发电机。所述的全纤维素基摩擦纳米发电机，是以经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜为摩擦电负性材料，以纤维素纳米纤丝基气凝胶膜为摩擦电正性材料；在所述经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜和纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的背面均设有纤维素导电复合电极材料，在所述两个气凝胶膜之间形成间隙。本发明的全纤维素基摩擦纳米发电机表面电荷量提高10～500％，短路电流提高20～500％，开路电压提高50～500％。本发明工艺流程短，设备简单，成本低廉，电输出性能提升显著，在柔性可穿戴传感器件领域有着广泛应用前景。

Description

一种全纤维素基摩擦纳米发电机
技术领域
本发明属于纤维素类生物质高值化利用与摩擦纳米发电机领域，具体是一种全纤维素基摩擦纳米发电机。
背景技术
在各种能源收集器件中，摩擦纳米发电机(TENGs)已成为一种具有极大发展潜力的自供电设备，它能够从周围环境获取能量的机械运动，如人体的运动能、风能等，这使得它们适合用于便携式的软电子设备。此外，TENGs具有输出电压高、功率密度大、能量转换效率高、环境友好、制造成本低等特点。
纤维素是地球上最丰富的天然聚合物，来源广泛，生物可降解，成本低廉。将纤维素纳米纤丝用于摩擦纳米发电机的开发，可以将摩擦纳米发电机引向一个更加绿色和生态友好的系统，该系统还可以自然降解，可回收，并且具有生物相容性。另一方面，这些优点是目前摩擦电纳米发电机设计中使用的普通聚合物所无法比拟的。但天然纤维素纳米纤丝的弱极化导致其产生表面电荷的能力有限，通常将其作为摩擦电正性材料。
因而，利用纤维素上丰富的羟基，采用化学反应的方法将具有更强的吸电子基团引入到纤维素纳米纤丝中，改变纤维素的摩擦性，制备出天然、可降解和低成本柔性纤维素基摩擦电纳米发电机将具有极大发展潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全纤维素基摩擦纳米发电机，通过对天然纤维素纳米纤丝进行化学修饰，赋予天然纤维素纳米纤丝吸电子能力，并将其作为摩擦电负性材料，提高摩擦纳米发电机的输出性与稳定性。
本发明所要解决的技术问题，通过以下技术方案予以实现：
一种全纤维素基摩擦纳米发电机，以经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜为摩擦电负性材料，以纤维素纳米纤丝基气凝胶膜为摩擦电正性材料；在所述经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜和纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的背面均设有纤维素导电复合电极材料，在所述两个气凝胶膜之间形成间隙。
所述经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜是以纤维素纳米纤丝为基体，利用环氧丙基三烷基氯化铵对纤维素纳米纤丝进行化学改性处理得到。
进一步地，所述经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜是由包括以下步骤的方法制备得到：
S1.将环氧丙基三烷基氯化铵添加到纤维素纳米纤丝溶液中，60～70℃搅拌4～6h，用去离子水稀释，洗涤过滤，将产物在65℃条件下进行干燥处理；所述环氧丙基三烷基氯化铵与纤维素纳米纤丝的质量比为10％～50％；
S2.将步骤S1得到的经阳离子改性的纤维素纳米纤丝配制成溶液，再制备成水凝胶，并经冷冻干燥得到气凝胶，采用压力为1～1.5Mpa将气凝胶压制成厚度为5～15mm的气凝胶膜。
进一步地，所述纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的制备方法包括：将纤维素纳米纤丝配制成溶液，再制备成水凝胶，并经冷冻干燥得到气凝胶，采用压力为1～1.5Mpa将气凝胶压制成厚度为5～15mm的气凝胶膜。
优选地，所述纤维素导电复合电极材料为纤维素/聚吡咯导电复合电极材料。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明赋予纤维素纳米纤丝吸电子能力，使纤维素纳米纤丝成为可替代合成聚合物摩擦电负摩擦材料等强负摩擦材料的材料。
(2)本发明的摩擦纳米发电机表面电荷量提高10～500％，短路电流提高20～500％，开路电压提高50～500％。
(3)本发明的摩擦纳米发电机电输出性能高、结构简单，在柔性可穿戴电子领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的一种全纤维素基摩擦纳米发电机的结构示意图。
其中1-经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜，2-纤维素纳米纤丝基气凝胶膜，3-纤维素/聚吡咯导电复合电极材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(一)经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的制备：
步骤一：将环氧丙基三烷基氯化铵按照与纤维素纳米纤丝的质量比为10％添加到纤维素纳米纤丝水溶液中，60℃磁力搅拌4h，用5倍去离子水稀释，再真空抽滤，并洗涤3次，将产物在65℃条件下进行干燥处理；
步骤二：将步骤一得到的经阳离子改性的纤维素纳米纤丝配制成浓度为1wt％的水溶液，添加少量环氧氯丙烷(EPI)，并在LiOH/尿素溶液中反应制备得到水凝胶，再经冷冻干燥得到气凝胶，再在1Mpa压力下压制得到厚度为5mm的气凝胶膜。
(二)纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的制备：
将纤维素纳米纤丝配制成浓度为1wt％的水溶液，添加少量环氧氯丙烷(EPI)，并在LiOH/尿素溶液中反应制备成水凝胶，再经冷冻干燥得到气凝胶，再在1Mpa压力下压制得厚度为5mm的气凝胶膜。
(三)全纤维素基摩擦纳米发电机的制备：
取上述制得的经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜1作为摩擦电负性材料，取上述制得的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜2作为摩擦电正性材料，分别在所述两个气凝胶膜的背面粘贴纤维素/聚吡咯导电复合电极材料3，并在两个气凝胶膜之间留有间隙，导线与上下两个电极进行连接。对摩擦纳米发电机进行接触分离发电测试，压力为10N，频率为5Hz。
本实施例制得的摩擦纳米发电机，表面电荷量为60nC，短路电流为-3.0～10.5μA，开路电压为130V。
实施例2
(一)经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的制备：
步骤一：将环氧丙基三烷基氯化铵按照与纤维素纳米纤丝的质量比为30％添加到纤维素纳米纤丝水溶液中，65℃磁力搅拌5h，用5倍去离子水稀释，再真空抽滤，并洗涤3次，将产物在65℃条件下进行干燥处理；
步骤二：将步骤一得到的经阳离子改性的纤维素纳米纤丝制成浓度为1wt％的水溶液，添加少量环氧氯丙烷(EPI)，并在LiOH/尿素溶液中反应制备成水凝胶，再经冷冻干燥得到气凝胶，再在1.3Mpa压力下压制得到厚度为10mm的气凝胶膜。
(二)纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的制备：
将纤维素纳米纤丝制成浓度为1wt％的水溶液，添加少量环氧氯丙烷(EPI)，并在LiOH/尿素溶液中反应制备成水凝胶，再经冷冻干燥得到气凝胶，再在1.3Mpa压力下压制得厚度为10mm的气凝胶膜。
(三)全纤维素基摩擦纳米发电机的制备：
取上述制得的经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜1作为摩擦电负性材料，取上述制得的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜2作为摩擦电正性材料，分别在所述两个气凝胶膜的背面粘贴纤维素/聚吡咯导电复合电极材料3，并在两个气凝胶膜之间留有间隙，导线与上下两个电极进行连接。对摩擦纳米发电机进行接触分离发电测试，压力为10N，频率为5Hz。
本实施例制得的摩擦纳米发电机，表面电荷量为70nC，短路电流为-3.0～13.5μA，开路电压为145。
实施例3
(一)经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的制备：
步骤一：将环氧丙基三烷基氯化铵按照与纤维素纳米纤丝的质量比为50％添加到纤维素纳米纤丝水溶液中，70℃磁力搅拌6h，用5倍去离子水稀释，再真空抽滤，并洗涤3次，将产物在65℃条件下进行干燥处理；
步骤二：将步骤一得到的经阳离子改性的纤维素纳米纤丝制成浓度为1wt％的水溶液，添加少量环氧氯丙烷(EPI)，并在LiOH/尿素溶液中反应制备成水凝胶，再经冷冻干燥得到气凝胶，再在1.5Mpa压力下压制得到厚度为15mm的气凝胶膜。
(二)纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的制备：
将纤维素纳米纤丝制成浓度为1wt％的水溶液，添加少量环氧氯丙烷(EPI)，并在LiOH/尿素溶液中反应制备成水凝胶，再经冷冻干燥得到气凝胶，再在1.5Mpa压力下压制得厚度为15mm的气凝胶膜。
(三)全纤维素基摩擦纳米发电机的制备：
取上述制得的经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜1作为摩擦电负性材料，取上述制得的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜2作为摩擦电正性材料，分别在所述两个气凝胶膜的背面粘贴纤维素/聚吡咯导电复合电极材料3，并在两个气凝胶膜之间留有间隙，导线与上下两个电极进行连接。对摩擦纳米发电机进行接触分离发电测试，压力为10N，频率为5Hz。
本实施例制得的摩擦纳米发电机，表面电荷量为60nC，短路电流为-3.0～11.5μA，开路电压为135V。

Claims (7)

1.一种全纤维素基摩擦纳米发电机，其特征在于，以经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜为摩擦电负性材料，以纤维素纳米纤丝基气凝胶膜为摩擦电正性材料；在所述经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜和纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的背面均设有纤维素导电复合电极材料，在所述两个气凝胶膜之间形成间隙；
所述经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜是以纤维素纳米纤丝为基体，利用环氧丙基三烷基氯化铵对纤维素纳米纤丝进行化学改性处理得到。
2.根据权利要求1所述的全纤维素基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜是由包括以下步骤的方法制备得到：
S1.将环氧丙基三烷基氯化铵添加到纤维素纳米纤丝溶液中，60～70℃搅拌4～6h，用去离子水稀释，洗涤过滤，将产物在65℃条件下进行干燥处理；所述环氧丙基三烷基氯化铵与纤维素纳米纤丝的质量比为10％～50％；
S2.将步骤S1得到的经阳离子改性的纤维素纳米纤丝配制成溶液，再制备成水凝胶，并经冷冻干燥得到气凝胶，将气凝胶压制成气凝胶膜。
3.根据权利要求1所述的全纤维素基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的制备方法包括：将纤维素纳米纤丝配制成溶液，再制备成水凝胶，并经冷冻干燥得到气凝胶，将气凝胶压制成气凝胶膜。
4.根据权利要求2所述的全纤维素基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述将气凝胶压制成气凝胶膜所采用的压力为1～1.5Mpa。
5.根据权利要求3所述的全纤维素基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述将气凝胶压制成气凝胶膜所采用的压力为1～1.5Mpa。
6.根据权利要求1所述的全纤维素基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述纤维素导电复合电极材料为纤维素/聚吡咯导电复合电极材料。
7.根据权利要求1所述的全纤维素基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述经阳离子改性的纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的厚度为5～15mm，所述纤维素纳米纤丝基气凝胶膜的厚度为5～15mm。
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