一种摩擦电特种纸及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种用于高效能量收集和发电的摩擦电特种纸

【技术实现步骤摘要】
一种摩擦电特种纸及其应用


[0001]本专利技术涉及纤维素类生物质高值化利用与摩擦纳米发电机领域，具体涉及用于能量收集的先进纤维素材料及制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]自工业革命以来，获得清洁
、
经济实惠且可靠的能源一直是世界日益繁荣的基石
。21
世纪，人类对太空
、
海底和地球深处的探索不断推动着能源设备的发展，特别是在极端环境下工作的便携式能源装置领域
。
在此背景下，摩擦纳米发电机应运而生，并被广泛用于收集并直接转换自然界的分布式能源来发电
。
由于摩擦纳米发电机具有免维护
、
自供电和环境适应性强的特点，摩擦纳米发电机有望成为极端环境下的可持续能源技术
。
[0003]聚四氟乙烯和聚碳酸酯等聚合物因其固有的优势，例如低成本
、
易于加工
、
灵活性和高表面电荷密度，已成为高性能摩擦纳米发电机的首选摩擦电材料
。
由于深海勘探
、
地下石油
/
天然气勘探和航空航天系统等高温应用的电能需求激增，需要能够在高温下工作的聚合物摩擦电材料
。
然而，典型的聚合物正摩擦电材料在高温下会遭受严重的结构退化和电荷密度的快速下降，严重损害摩擦纳米发电机的供电能力并可能导致严重后果
。
近年来，人们在开发用于高温环境的本征耐温聚合物方面做出了相当大的努力，然而高热稳定性和高表面电荷密度在聚合物正摩擦电材料中的整合尚未实现，摩擦纳米发电机在
100℃
以上的输出功率尚未超过
200mW m
‑2。
[0004]因此，利用纤维素优异的耐高温特性和丰富的羟基，采用化学反应的方法将具有更高供电子能力的基团引入纤维素纳米纤维中，同时增强纤维素纸的耐高温性能和发电能力，制备出能够在高温环境下保持高且稳定发电性能的摩擦电特种纸具有研究重要意义
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于设计一种先进摩擦电特种纸，并将其作为摩擦纳米发电机的正极摩擦电材料，大幅度提高摩擦纳米发电机在高温条件下的输出性能和稳定性
。
[0006]本专利技术所要解决的技术问题，通过以下技术方案予以实现：
[0007]一种摩擦电特种纸，是以水流辅助自组装形成的纤维素纳米纤丝膜为基体材料，以增强给电子能力的氨基硅烷溶液涂覆改性基体材料制得
。
[0008]进一步地，所述的纤维素纳米纤丝膜的制备工艺为：选择直径为
20
～
100nm
范围的纤维素纳米纤丝，将纤维素纳米纤丝溶液通过磁力搅拌和超声处理使纤维素纳米纤丝完全分散，在真空条件下进行抽滤，水流辅助自组装形成纤维素纳米纤丝膜
。
[0009]进一步地，所述的氨基硅烷溶液制备工艺为：将含氨基硅烷的化合物溶解在乙醇
/
水溶液中，含氨基硅烷的化合物在溶液中的浓度为
10
～
50mg/mL
，并在
30
～
90℃
下搅拌1～
5h
，以溶液形式存放
。
[0010]进一步地，所述的涂覆改性工艺为：使用移液枪吸取氨基硅烷溶液，旋涂在纤维素纳米纤丝膜基体材料表面，旋涂转速为5～
30r/min
，干燥2～
8h
后得到摩擦电特种纸
。
[0011]进一步地，所述的基体材料的涂层的负载量为
32
～
95mg/cm2。
[0012]进一步地，所述的含有氨基硅烷的化合物为3‑
氨基丙基三乙氧基硅烷
。
[0013]进一步地，所述的摩擦电特种纸的厚度为
30
～
100
μ
m。
[0014]本专利技术的摩擦电特种纸可以与全氟乙烯丙烯共聚物薄膜分别作为摩擦纳米发电机的正极和负极摩擦电材料，基于摩擦电特种纸的摩擦纳米发电机适用于
200℃
高温环境中
。
[0015]本专利技术具有以下有益效果：
[0016](1)
本专利技术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
。
[0017](2)
本专利技术的摩擦电特种纸可以在
200℃
条件下稳定工作，相比一般纸基摩擦电材料电荷量提高
10
～
500
％，短路电流可提高
20
～
400
％，开路电压可提高
10
～
500
％
。
[0018](3)
本专利技术工艺流程短，设备简单，成本低廉，高温环境下电输出性能提升显著，在能量收集领域有着广泛应用前景
。
具体实施方式
[0019]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明
。
[0020]实施例1：本专利技术的一种摩擦电特种纸
[0021](
一
)
摩擦电特种纸的制备
[0022]选择直径为
97
±
4nm
范围的纤维素纳米纤丝，将绝干质量为
0.4g
的纤维素纳米纤丝溶液，通过磁力搅拌和超声处理使纤维素纳米纤丝完全分散，在真空条件下进行抽滤，水辅助自组装形成纤维素纳米纤丝膜基体材料
。
将3‑
氨基丙基三乙氧基硅烷溶解在乙醇
/
水溶液中，3‑
氨基丙基三乙氧基硅烷在溶液中的浓度为
10mg/mL
，并在
30℃
下搅拌
1h
，得到氨基硅烷溶液，以溶液形式存放
。
使用移液枪吸取氨基硅烷溶液，旋涂在纤维素纳米纤丝膜基体材料表面，旋涂转速为
5r/min
，干燥
2h
后得到摩擦电特种纸
。
摩擦电特种纸的厚度为
30
μ
m
，基体材料的涂层的负载量为
32mg/cm2。
[0023](
二
)
摩擦纳米发电机的制备
[0024]取上述制备的摩擦电特种纸作为摩擦电正性薄膜摩擦层，取全氟乙烯丙烯共聚物薄膜作为摩擦电负性薄膜摩擦层，摩擦电特种纸与全氟乙烯丙烯共聚物薄膜大小一致，为
4cm2，分别在两个摩擦电材料的背面粘贴铜胶带，然后分别固定于陶瓷支撑片上，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
50N
，频率为
1Hz。
[0025]以未处理纤维素纳米纤维纸作为正摩擦层的摩擦纳米发电机的表面电荷量为
20
μ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种摩擦电特种纸，其特征在于，是以水流辅助自组装形成的纤维素纳米纤丝膜为基体材料，以增强给电子能力的氨基硅烷溶液涂覆改性基体材料制得
。2.
根据权利要求1所述的摩擦电特种纸，其特征在于，所述的纤维素纳米纤丝膜的制备工艺为：选择直径为
20
～
100nm
范围的纤维素纳米纤丝，将纤维素纳米纤丝溶液通过磁力搅拌和超声处理使纤维素纳米纤丝完全分散，在真空条件下进行抽滤，水流辅助自组装形成纤维素纳米纤丝膜
。3.
根据权利要求1所述的摩擦电特种纸，其特征在于，所述的氨基硅烷溶液制备工艺为：将含氨基硅烷的化合物溶解在乙醇
/
水溶液中，含氨基硅烷的化合物在溶液中的浓度为
10
～
50mg/mL
，并在
30
～
90℃
下搅拌1～
5h
，以溶液形式...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂双喜，王金龙，刘艳华，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：