[發(fā)明專利]一種改性纖維素納米纖絲基柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010009508.3
• 申請(qǐng)日: 2020-01-06
• 公開（公告）號(hào): CN111082698B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 聶雙喜;林雪嬌;吳正梅;張宸源
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣西大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N1/04
• 分類號(hào): H02N1/04;D06M13/513;D06M101/06
• 代理公司: 廣西南寧公平知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 45104
• 代理人: 唐漢穎

本發(fā)明公開了一種改性纖維素納米纖絲基柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)，以纖維素納米纖絲為原料，利用纖維素納米纖絲的化學(xué)可修飾性，從材料的摩擦極性和疏水性兩方面出發(fā)，通過簡單易行的氨基硅烷改性來調(diào)節(jié)纖維素納米纖絲的表面官能團(tuán)，增加其作為摩擦正極材料的表面電荷，并改善纖維素納米纖絲膜的疏水性，制備出一種改性纖維素納米纖絲基柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)。該摩擦納米發(fā)電機(jī)具備良好的柔性和抗?jié)裥阅埽诃h(huán)境濕度大的情況下依然可以使其輸出性能維持在較高的水平，且工作了10000個(gè)周期后開路電壓基本不變，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)高值化利用技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種改性纖維素納米纖絲基柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)

摩擦起電效應(yīng)是日常生活中極為普遍也是最容易被忽視的現(xiàn)象之一。2012年王中林團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了摩擦電的有效收集和轉(zhuǎn)化，并提出了摩擦納米發(fā)電機(jī)的概念。摩擦納米發(fā)電機(jī)是利用接觸起電和靜電感應(yīng)相耦合將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，其表面電荷的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移是影響摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的關(guān)鍵。摩擦納米發(fā)電機(jī)摩擦材料極性的調(diào)控是摩擦納米發(fā)電機(jī)性能優(yōu)化的關(guān)鍵，近年來該方向引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注和探索。王中林等人對(duì)常用材料的摩擦極性進(jìn)行了測試，并將其從最具摩擦學(xué)正性到最具摩擦學(xué)負(fù)性劃分了摩擦電序列。理論上，分別于摩擦電序列的頂部和底部選擇一種材料作為摩擦電偶方可產(chǎn)生最大的輸出電能。然而，與負(fù)極材料相比，正級(jí)材料的選擇非常有限。目前，最常用的正極材料主要包括金屬(如銀和銅)、金屬氧化物(如氧化鋅和銦錫氧化物)和聚酰胺等合成聚合物。金屬在惡劣的環(huán)境中容易氧化或腐蝕，聚合物基摩擦材料的長期使用容易引起白色污染等環(huán)境問題。因此，研究引進(jìn)新型環(huán)保材料勢必成為摩擦納米發(fā)電機(jī)未來發(fā)展的新趨勢，而開發(fā)出綠色且高性能的正極材料是目前摩擦納米發(fā)電機(jī)性能優(yōu)化的一大挑戰(zhàn)。

纖維素是地球上最豐富的天然高聚物。與傳統(tǒng)聚合物相比，纖維素的可再生、低成本、可生物降解和生物相容性使其在環(huán)保領(lǐng)域中具有鮮明的優(yōu)勢。尤其是最近幾年纖維素納米纖絲材料的出現(xiàn)，不僅順應(yīng)了新型環(huán)保材料的需求，還擁有比普通纖維材料更高的強(qiáng)度優(yōu)勢，是近年來最受關(guān)注和最有希望的候選綠色摩擦材料之一。更重要的是，纖維素納米纖絲表面具有大量羥基，在化學(xué)改性方面擁有著先天的優(yōu)勢，不需要額外對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理。維素納米纖絲表面改性主要包含磺化、羧基化、酯化、硅烷化以及聚合物接枝共聚改性等。為了得到高性能的摩擦正極材料，提升纖維素納米纖絲基摩擦納米發(fā)電機(jī)器件的穩(wěn)定性和續(xù)航能力，從改變官能團(tuán)極性的角度出發(fā)，研究較為廣泛的當(dāng)屬在纖維素納米纖絲表面接枝氨基、硝基和三氟甲基等摩擦極性較強(qiáng)的官能團(tuán)。環(huán)境濕度是影響摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā)電性能的關(guān)鍵因素之一，對(duì)摩擦材料而言，其表面疏水性能越強(qiáng)，水汽對(duì)其摩擦發(fā)電效果的影響則越小，越有利于摩擦納米發(fā)電機(jī)抗?jié)裥阅艿母纳啤?/p>

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種改性纖維素納米纖絲基柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)，以纖維素納米纖絲為原料，從材料的摩擦極性和疏水性能兩方面出發(fā)，通過簡易的氨基硅烷改性來調(diào)節(jié)纖維素納米纖絲的表面官能團(tuán)，增加其作為摩擦正極材料的表面電荷，并改善其疏水性能，制得的摩擦納米發(fā)電機(jī)具備良好的柔性和抗?jié)裥阅埽诃h(huán)境濕度大的情況下依然可以使其輸出性能維持在較高的水平，且工作了10000個(gè)周期后開路電壓基本不變，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種改性纖維素納米纖絲基柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)，以纖維素納米纖絲為原料，利用3-(2-氨基乙氨基)丙基甲基二甲氧基硅烷對(duì)纖維素納米纖絲進(jìn)行化學(xué)改性處理后得到改性纖維素納米纖絲薄膜材料，將改性纖維素納米纖絲薄膜和氟化乙丙烯薄膜分別作為正、負(fù)摩擦材料，組裝成柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)。

所述的化學(xué)改性處理包括以下步驟：

步驟一：將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的3-(2-氨基乙氨基)丙基甲基二甲氧基硅烷加入無水乙醇中，常溫下攪拌后得到水解液；