一种改性聚丙烯腈纳米纤维薄膜的制备方法及其应用

本发明涉及能量转化与储存领域，更具体的，涉及一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜及由其制备的接触-分离模式的摩擦纳米发电机。

背景技术：

1、随着物联网技术的不断发展，便携式电子器件得到广泛的应用，传统的供能技术在定位检测，替换维护和环境污染等方面受到了严重挑战，摩擦纳米发电机作为新型微纳能源技术因其转换效率高，材料选择广，成本低廉等优势，在能量收集和信息传感等领域有着广泛的应用前景。

2、六方氮化硼，又称“白石墨”，不同于石墨碳材料，其拥有出色的绝缘性，同时也具备良好的热稳定性，化学稳定性，是非常理想的电荷储存增强材料，在摩擦纳米发电机中的摩擦材料起电性能增强领域有着非常独特的优势。

3、在面向实际应用中，由于对能量收集和传感灵敏度等方面有着较高的需求，摩擦纳米发电机技术仍面临着巨大的挑战。因此，为了进一步改善摩擦纳米发电机的性能，本发明对摩擦材料的摩擦起电能力进行了改善。

技术实现思路

1、本发明针对现有聚丙烯腈薄膜在摩擦纳米发电机领域中存在的表面电荷密度低，工作稳定性差的缺点，提供了一种简单的对纳米纤维薄膜的改性手段，进而提高了纳米纤维薄膜在摩擦纳米发电机中的发电能力和工作稳定性。

2、第一方面，本发明公开了一种类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜的制备方法，本发明的技术方案如下：

3、s1.分别配置质量百分比为10-20wt％的高聚物纺丝液；

4、s2.在纺丝液中加入不同浓度的六方氮化硼，使其搅拌均匀；

5、s3.采用静电纺丝技术制备纳米纤维薄膜；

6、s4.将制备的纳米纤维置于溶剂中洗涤，干燥，即制备得到类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜。

7、上述步骤s1中，高聚物的选择可以是聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，聚偏氟乙烯等(优选地，聚丙烯腈)。

8、上述步骤s1中，高聚物纺丝液的溶质可以是无水乙醇，水，二甲基甲酰胺，n-甲基吡咯烷酮(优选地，二甲基甲酰胺)。

9、上述步骤s1中，高聚物的质量百分比可以是10-20wt％(优选地，15wt％)。

10、上述步骤s2中，加入的六方氮化硼粉末。

11、上述步骤s2中，加入的六方氮化硼与聚丙烯腈的比值可以是1∶5-1∶20(优选地，1∶10)。

12、上述步骤s3中，静电纺丝的条件为：电压为10-20kv，针头与接收器的距离为15-20cm，纺丝液进样速度为1ml/h(优选地，电压为15kv，距离为15cm)

13、上述步骤s4中，纳米纤维洗涤采用的溶剂为水或无水乙醇；干燥方式为加热干燥，温度为80℃。

14、第二方面，本申请实施方式要求保护通过上述任一方法制备的改性纳米纤维薄膜在摩擦纳米发电机摩擦材料领域的应用。

15、与现有技术相比，本发明具有以下优势：

16、1)本发明实施方式所制备的纳米纤维薄膜，其表面更加光滑，薄膜的工作稳定性显著增强。

17、2)本发明实施方式所展示的改性处理过程，操作简单，成本低廉，具有很好的工业前景。

18、3)本发明实施方式所制备的改性聚丙烯腈纤维薄膜，在摩擦纳米发电机中，较未处理的聚丙烯腈薄膜，其发电性能提升至原来的2.6倍。

技术特征：

1.一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜，其特征在于，所述薄膜通过以下过程制备得到：

2.根据权利1要求所述的一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜，其特征在于，所述步骤s1中纺丝液的溶剂包括无水乙醇，水，二甲基甲酰胺，n-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

3.根据权利1要求所述的一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜，其特征在于，所述步骤s1中高聚物的选择可以是聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，聚偏氟乙烯等中的一种或多种的组合。

4.根据权利1要求所述的一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜，其特征在于，所述步骤s1中溶质的质量百分比为10-20wt％。

5.根据权利1要求所述的一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜，其特征在于，所述步骤s1中纺丝液搅拌温度为70℃-90℃，搅拌速度为100-250r/min。

6.根据权利1要求所述的一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜，其特征在于，所述步骤s2中六方氮化硼粉末。

7.根据权利1要求所述的一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜，其特征在于，所述步骤s2中六方氮化硼与聚丙烯腈的质量比为1∶5-1∶20。

8.根据权利1要求所述的一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜，其特征在于，所述步骤s3中静电纺丝的条件为：电压为10-20kv，针头与接收器的距离为15-20cm，绕卷速度为600mm/s。

9.根据权利1要求所述的一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜，其特征在于，所述步骤s4中干燥方式为加热干燥，温度为80℃，时间为12-24h。

10.一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜应用于接触-分离模式的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括权利1-8要求所述中的类包覆结构的氮化硼改性的纳米纤维薄膜。

技术总结
本发明公开了一种具有类包覆结构的氮化硼改性纳米纤维薄膜及其制备的接触‑分离模式的摩擦纳米发电机。所述薄膜的具体制备方法包括以下步骤：S1.配置不同浓度的高聚物纺丝液；S2.在纺丝液中加入六方氮化硼使其在纺丝液中分散均匀；S3.利用静电纺丝技术得到复合纳米纤维薄膜；S4.将复合纳米纤维进行洗涤，干燥即得氮化硼改性纳米纤维薄膜。本发明所述的复合纳米纤维薄膜为类包覆结构，流程简单，成本低廉，氮化硼颗粒能够在聚丙烯腈薄膜中分散良好，同时氮化硼颗粒也作为润滑剂使得纤维薄膜表面更加光滑。采用其制备接触‑分离模式的摩擦纳米发电机时，发电性能显著提高，发电稳定性也得到了改良。

技术研发人员：王学斌,杨晗
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13