CN111355401B - 一种富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机 - Google Patents

一种富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机。所述富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机，是以表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜为摩擦电正性薄膜摩擦层，以聚合物薄膜为摩擦电负性薄膜摩擦层；所述摩擦电正性薄膜摩擦层和摩擦电负性薄膜摩擦层的背面均设有电极材料，将两个摩擦层分别设于两个支撑平板上，在两个支撑平板之间形成可接触分离的间隙。本发明的摩擦纳米发电机表面电荷量可提高10～300％，短路电流可提高20～300％，开路电压可提高50～300％。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

一种富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机
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，具体是一种富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机。
背景技术
机械能是一种可再生的、可持续的资源，广泛分布在人类活动、振动、风、声等多种形式的环境中。然而，大部分机械能没有得到合理的利用。摩擦电纳米发电机在接触起电与静电感应相结合的原理上，能够将机械能转化为电能。根据摩擦电纳米发电机的基本工作原理，在一个摩擦电系中，接触起电后至少要涉及两种不同的具有不同的摩擦极性的材料。目前许多方法已经应用于增加两种材料表面电荷密度，如通过物理和化学修改，引入微观和纳米结构表面，以及进行化学功能化和纳米颗粒诱导多孔聚合物等。
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电纳米发电机的开发，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。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，与合成聚合物相比性能较低。
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供电子基团引入到纤维素纳米纤丝中，制备出天然、可降解和低成本纤维素基新型生态友好的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富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机，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具有更强的供电子能力，并将其作为摩擦电正性材料，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：
一种富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机，是以表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜为摩擦电正性薄膜摩擦层，以聚合物薄膜为摩擦电负性薄膜摩擦层，在所述摩擦电正性薄膜摩擦层和摩擦电负性薄膜摩擦层的背面均设有电极材料，将所述摩擦电正性薄膜摩擦层和摩擦电负性薄膜摩擦层分别设于两个支撑平板上，在两个支撑平板之间形成可接触分离的间隙；
所述表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜是以纤维素纳米纤丝为基体，采用含有甲氧基与醚基基团的化合物对纤维素纳米纤丝进行甲氧基与醚基基团的化学修饰得到。
进一步地，所述采用含有甲氧基与醚基基团的化合物对纤维素纳米纤丝进行甲氧基与醚基基团的化学修饰的工艺为：含有甲氧基与醚基基团的化合物与纤维素纳米纤丝以重量比为1:1～5、反应时间为4～6小时、温度为50～70℃进行反应后，干燥成膜。
优选地，所述含有甲氧基与醚基基团的化合物为聚乙二醇甲基醚。
优选地，所述摩擦电正性薄膜摩擦层与摩擦电负性薄膜摩擦层的尺寸相同。
优选地，所述聚合物薄膜为聚四氟乙烯薄膜、聚偏二氯乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜或聚氯乙烯薄膜中的一种。
优选地，所述电极材料为铜、铝、铁、铟锡氧化物或碳纤维中的一种。
优选地，所述支撑平板为有机玻璃板、硅胶板、尼龙平板或石英平板中的一种。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明避免了金属电介质使用的同时，赋予纤维素纳米纤丝更强的供电子能力，使纤维素纳米纤丝成为可替代尼龙等强正摩擦材料的材料。
(2)本发明的摩擦纳米发电机表面电荷量可提高10～300％，短路电流可提高20～300％，开路电压可提高50～300％。
(3)本发明的摩擦纳米发电机电输出性能高、结构简单，在可穿戴电子领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的一种富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机的结构示意图。
其中，1-摩擦电正性薄膜摩擦层，2-摩擦电负性薄膜摩擦层，3-电极材料，4-支撑平板，5-弹性体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(一)表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜的制备：
将聚乙二醇甲基醚化合物与纤维素纳米纤丝以重量比为1:1、反应时间为4小时、温度为50℃进行反应；将溶液倒入模具中干燥成膜。
(二)富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机的制备：
取上述制备的表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜作为摩擦电正性薄膜摩擦层1，取聚四氟乙烯薄膜作为摩擦电负性薄膜摩擦层2，聚四氟乙烯薄膜与表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜的厚度、大小一致，分别在两个薄膜的背面粘贴铜胶带(电极材料3)，然后分别固定于两个有机玻璃板(支撑平板4)上，采用海绵为弹性体5在两个有机玻璃板之间形成可接触分离的间隙，间隙的间距为10mm，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。
以未经过改性的纤维素纳米纤丝薄膜作为摩擦电正性薄膜摩擦层的摩擦纳米发电机的表面电荷量为25nC，短路电流为-2.0～4μA，开路电压为75V；本实施例的摩擦纳米发电机的表面电荷量为50nC，短路电流为-3.0～7.5μA，开路电压为110V。由此可见，本实施例的摩擦纳米发电机的电输出性能得到明显改善。
实施例2
(一)表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜的制备：
将聚乙二醇甲基醚与纤维素纳米纤丝以重量比为1:3、反应时间为5小时、温度为60℃进行反应；将溶液倒入模具中干燥成膜。
(二)富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机的制备：
取上述制备的表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜作为摩擦电正性薄膜摩擦层1，取聚四氟乙烯薄膜作为摩擦电负性薄膜摩擦层2，聚四氟乙烯薄膜与表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜的厚度、大小一致，分别在两个薄膜的背面粘贴铜胶带(电极材料3)，然后分别固定于两个有机玻璃板(支撑平板4)上，采用海绵为弹性体5在两个有机玻璃板之间形成可接触分离的间隙，间隙的间距为10mm，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。
以未经过改性的纤维素纳米纤丝薄膜作为摩擦电正性薄膜摩擦层的摩擦纳米发电机的表面电荷量为25nC，短路电流为-2.0～4μA，开路电压为75V；本实施例的摩擦纳米发电机的表面电荷量为60nC，短路电流为-3.0～8.5μA，开路电压为120V。由此可见，本实施例的摩擦纳米发电机的电输出性能得到明显改善。
实施例3
(一)表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜的制备：
将含有聚乙二醇甲基醚与纤维素纳米纤丝以重量以重量比为1:5、反应时间为6小时、温度为70℃进行反应；将溶液倒入模具中干燥成膜。
(二)富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机的制备：
取上述制备的表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜作为摩擦电正性薄膜摩擦层1，取聚四氟乙烯薄膜作为摩擦电负性薄膜摩擦层2，聚四氟乙烯薄膜与表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜的厚度、大小一致，分别在两个薄膜的背面粘贴铜胶带(电极材料3)，然后分别固定于两个有机玻璃板(支撑平板4)上，采用海绵为弹性体5在两个有机玻璃板之间形成可接触分离的间隙，间隙的间距为10mm，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。
以未经过改性的纤维素纳米纤丝薄膜作为摩擦电正性薄膜摩擦层的摩擦纳米发电机的表面电荷量为25nC，短路电流为-2.0～4μA，开路电压为75V；本实施例的摩擦纳米发电机的表面电荷量为55nC，短路电流为-3.0～8μA，开路电压为115V。由此可见，本实施例的摩擦纳米发电机的电输出性能得到明显改善。

Claims (2)

1.一种富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机，其特征在于，以表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜为摩擦电正性薄膜摩擦层，以聚合物薄膜为摩擦电负性薄膜摩擦层；在所述摩擦电正性薄膜摩擦层和摩擦电负性薄膜摩擦层的背面均设有电极材料，将所述摩擦电正性薄膜摩擦层和摩擦电负性薄膜摩擦层分别设于两个支撑平板上，在两个支撑平板之间形成可接触分离的间隙；
所述表面富氧基团修饰的纤维素纳米纤丝基薄膜是以纤维素纳米纤丝为基体，采用含有甲氧基与醚基基团的化合物对纤维素纳米纤丝进行甲氧基与醚基基团的化学修饰得到；
所述摩擦电正性薄膜摩擦层与摩擦电负性薄膜摩擦层的尺寸相同；
所述聚合物薄膜为聚四氟乙烯薄膜、聚偏二氯乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜或聚氯乙烯薄膜中的一种；
所述电极材料为铜、铝、铁、铟锡氧化物或碳纤维中的一种；
所述支撑平板为有机玻璃板、硅胶板、尼龙平板或石英平板中的一种。
2.根据权利要求1所述的富氧基团改性的纤维素纳米纤丝基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述采用含有甲氧基与醚基基团的化合物对纤维素纳米纤丝进行甲氧基与醚基基团的化学修饰的工艺为：含有甲氧基与醚基基团的化合物与纤维素纳米纤丝以重量比为1:1～5、反应时间为4～6小时、温度为50～70℃进行反应后，干燥成膜；
所述含有甲氧基与醚基基团的化合物为聚乙二醇甲基醚。
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