一种用可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电层制备摩擦纳米发电机的方法技术

本发明专利技术公开了一种用可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电层制备摩擦纳米发电机的方法，壳聚糖在盐酸作用下结构中的氨基电离，形成得电子能力极强的氨基阳离子，赋予凝胶膜较强的摩擦负电性，通过向凝胶膜体系中引入增强相提升凝胶膜网络的稳定性和表面粗糙度，进而提高其作为负摩擦电层组装的摩擦纳米发电机的性能。本发明专利技术操作简单，成本低廉，以本发明专利技术制备的可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电层所组装的摩擦纳米发电机开路电压及短路电流高，稳定性好，可生物降解。生物降解。生物降解。

【技术实现步骤摘要】
一种用可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电层制备摩擦纳米发电机的方法


[0001]本专利技术涉及天然高分子和摩擦纳米发电机
，具体涉及一种用可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电层制备摩擦纳米发电机的方法。

技术介绍

[0002]随着可移动电子设备的数量激增，数以万亿计的传感器将会遍布世界各个角落，而为传感器供能的电池在使用过程中，需要人们不断的进行定位、维护以及更换，因此，以电池驱动这种规模日益庞大的传感器网络成本极高且并不实际。在这种情况下，从传感器所在的环境中收集能源以实现自供电传感成为一种可能的替代方案。摩擦纳米发电机（TENG）由两种电负性不同的材料组成，能够收集各种机械能，如人的运动、振动、风、流动的水流等，然后基于摩擦电效应和静电感应将机械能转化为电能，其能源来源清洁、稳定、无需经常维护，成为了电池的潜在最优替代品。
[0003]起初，TENG的两个摩擦电层均由合成的聚合物薄膜组成，例如，聚酰胺（PA）和聚甲醛通常用作正摩擦电层，而聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚四氟乙烯（PTFE）通常用作负摩擦电层，在绿色环保意识的影响下，诸如纤维素，壳聚糖等天然高分子材料已被用于TENG中的正摩擦电层，但受天然材料摩擦电性的制约，此类TENG的作负摩擦电层仍为含氟或硅的合成聚合物，其仍较低的生物相容性和可降解性限制了TENG在人类健康、安全和通信方面的应用。因此，何如将天然高分子制成电负性强的负摩擦电层材料以制备可降解的全生物质基TENG仍是亟待解决的难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对目前TENG负摩擦电层依赖合成聚合物，导致TENG生物相容性差，应用受限，降解困难的问题，提供一种用可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电层制备摩擦纳米发电机的方法，壳聚糖在盐酸作用下结构中的氨基电离，形成得电子能力极强的氨基阳离子，赋予凝胶膜较强的摩擦负电性，通过向凝胶膜体系中引入增强相提升凝胶膜网络的稳定性和表面粗糙度，进而提高其作为负摩擦电层组装的摩擦纳米发电机的性能。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电层制备摩擦纳米发电机的方法包括以下步骤：（1）将壳聚糖溶于一定pH的盐酸溶液中，水浴加热搅拌的同时，加入交联剂和增强相形成混合溶液，水浴反应一定时间后注模冷藏成型，形成水凝胶膜。
[0005]（2）将步骤（1）所得的水凝胶膜浸渍于乙醇溶液中进行溶剂置换，经循环冻融进一步交联后形成可再生纤维凝胶膜，将该凝胶膜作为负摩擦电层与金属电极进行组装制成摩擦纳米发电机。
[0006]进一步地，步骤（1）所述盐酸溶液的pH为0.5
‑
2。
[0007]进一步地，步骤（1）所述混合溶液中壳聚糖、交联剂、增强相的质量分数分别为2
‑
5 wt%、0.5
‑
2 wt%、0.5
‑
2 wt%。
[0008]进一步地，步骤（1）所述水浴反应温度为40
‑
80 ℃，水浴反应时间为1
‑
3 h。
[0009]进一步地，步骤（1）所述所述交联剂为腐殖酸、聚多巴胺、腰果酚中的任意一种。
[0010]进一步地，步骤（1）所述所述增强相为细菌纤维素、微晶纤维素、纤维素纳米晶中的任意一种。
[0011]进一步地，步骤（2）所述乙醇溶液的体积浓度为50%
‑
100%，溶剂置换时间为1
‑
2天。
[0012]进一步地，步骤（2）所述金属电极为铜电极、铝电极、银电极中的任意一种。
[0013]壳聚糖作为自然界中唯一大量存在的氨基碱性多糖，具有天然可降解性和生物相容性，在可穿戴设备中具有巨大的作为功能成分的潜力。本专利技术基于壳聚糖多氨基的性质，将其在盐酸中溶解，使壳聚糖中的氨基电离为得电子能力极强的氨基阳离子，赋予壳聚糖凝胶膜较强的摩擦负电性，并通过引入增强相进一步提升壳聚糖凝胶膜的摩擦发电性能，使其可作为负摩擦电层组装摩擦纳米发电机。
[0014]本专利技术的显著优点：（1）本专利技术以生物质为主要原料，成本低廉，安全性高，生产工艺简便，制备的可再生纤维凝胶膜得电子能力强，可生物降解，可作为负摩擦电层组装摩擦纳米发电机。
[0015]（2）本专利技术组装的摩擦纳米发电机避免了合成高分子材料的使用，生物降解性好，开路电压及短路电流高，稳定性好。
附图说明
[0016]图1为本专利技术制备的可再生纤维凝胶膜为负摩擦电层组装的摩擦纳米发电机的开路电压图；图2为本专利技术制备的可再生纤维凝胶膜为负摩擦电层组装的摩擦纳米发电机的短路电流图；图3为实施例3所得可再生纤维凝胶膜的扫描电镜图；图4为对比例1所得可再生纤维凝胶膜的扫描电镜图。
具体实施方式
[0017]为了使本专利技术所述的内容更加便于理解，结合具体实施方式对本专利技术所述的技术方案做进一步的说明，但是本专利技术不仅限于此。
[0018]实施例1取2 g壳聚糖，加入pH为1的50 mL盐酸溶液中，搅拌溶解，得到壳聚糖溶液。在60 ℃水浴搅拌条件下，向壳聚糖溶液中加入1 g 腐殖酸和0.5 g细菌纤维素并搅拌反应1 h，得到均匀混合溶液。将混合溶液注模冷藏成型，浸渍于无水乙醇溶液中1天，经循环冻融后形成可再生纤维凝胶膜，将其与铜电极组装成摩擦纳米发电机。
[0019]采用带压力控制的线性马达（R
‑
LP4）和静电计（KEITHLEY 6514）在测试压力50 N，摩擦频率3 Hz条件下，对组装的摩擦纳米发电机的摩擦发电性能进行测试，摩擦纳米发电机的最大开路电压为56.04 V，最大短路电流为1.67 μA。
[0020]实施例2
取1.5 g壳聚糖，加入pH为1的50 mL盐酸溶液中，搅拌溶解，得到壳聚糖溶液。在60 ℃水浴搅拌条件下，向壳聚糖溶液中加入0.5 g腰果酚和1 g微晶纤维素并搅拌反应1 h，得到均匀混合溶液。将混合溶液注模冷藏成型，浸渍于体积浓度50%的乙醇溶液中2天，经循环冻融后形成可再生纤维凝胶膜，将其与银电极组装成摩擦纳米发电机。
[0021]采用带压力控制的线性马达（R
‑
LP4）和静电计（KEITHLEY 6514）在测试压力50 N，摩擦频率3 Hz条件下，对组装的摩擦纳米发电机的摩擦发电性能进行测试，摩擦纳米发电机的最大开路电压为57.11 V，最大短路电流为1.64 μA。
[0022]实施例3取2 g壳聚糖，加入pH为1.5的50 mL盐酸溶液中，搅拌溶解，得到壳聚糖溶液。在60 ℃水浴搅拌条件下，向壳聚糖溶液中加入0.5 g聚多巴胺和1 g纤维素纳米晶并搅拌反应2 h，得到均匀混合溶液。将混合溶液注模冷藏成型，浸渍于体积浓度75%的乙醇溶液中1天，经循环冻融后形成可再生纤维凝胶膜，将其与铝电极组装成摩擦纳米发电机。
[0023]采用带压力控制的线性马达（R
‑
LP4）和静电计（KEITHLEY 6514）在测试压力50 N，摩擦频率3 H本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电层制备摩擦纳米发电机的方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将壳聚糖溶于盐酸溶液中，水浴加热搅拌的同时，加入交联剂和增强相形成混合溶液，水浴反应后注模冷藏成型，形成水凝胶膜；（2）将步骤（1）所得的水凝胶膜浸渍于乙醇溶液中进行溶剂置换，经循环冻融进一步交联后形成可再生纤维凝胶膜，并将其作为负摩擦电层与金属电极进行组装制成摩擦纳米发电机。2.根据权利要求1中所述的用可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电层制备摩擦纳米发电机的方法，其特征在于：步骤（1）所述盐酸溶液的pH为0.5
‑
2。3.根据权利要求1中所述的用可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电层制备摩擦纳米发电机的方法，其特征在于：步骤（1）所述混合溶液中壳聚糖、交联剂、增强相的质量分数分别为2
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5 wt%、0.5
‑
2 wt%、0.5
‑
2 wt%。4.根据权利要求1中所述的用可再生纤维凝胶膜作为负摩擦电...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢麒麟，王汉琛，
申请(专利权)人：闽江学院，
类型：发明
国别省市：