本發(fā)明涉及摩擦電納米電極材料領(lǐng)域，具體涉及一種高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、2012年，王中林院士團隊首次發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機，標志著一個關(guān)于能量收集和自驅(qū)動傳感的全新領(lǐng)域拉開序幕?；诮佑|起電和靜電感應(yīng)原理的摩擦納米發(fā)電機，可以高效收集人們周圍分布廣泛且無處不在的機械能，為自驅(qū)動系統(tǒng)、未來能源的可用技術(shù)以及高熵能量的利用提供了范式。其中，水下摩擦電納米發(fā)電機作為一種新興的能量收集技術(shù)，利用摩擦電效應(yīng)在水下將機械能轉(zhuǎn)化為電能，具有廣泛的應(yīng)用前景，如水下傳感器、微型電子設(shè)備以及海洋能量收集等。然而，這些發(fā)電機在實際應(yīng)用中面臨體積大和輸出性能低的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)水下摩擦電納米發(fā)電機需要較大體積以增加摩擦表面積，從而提高能量輸出，但這也帶來了系統(tǒng)復(fù)雜性和制造成本的增加，如中國專利cn117937881a、cn117738840a。為了克服這些問題，研究者們正探索新的設(shè)計理念，如優(yōu)化材料和改進結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外，水下環(huán)境的摩擦電效應(yīng)受到水流和壓力的影響，降低了發(fā)電能力。研究者們正通過納米技術(shù)和材料科學(xué)等手段，嘗試提升摩擦電納米發(fā)電機的性能，開發(fā)更高效的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，以解決體積大和性能低的問題。

2、芳綸是人類制造的機械強度最高的化學(xué)纖維之一。因此，選擇芳綸作為無支撐的水下摩擦電納米發(fā)電機的基材是一個好的選擇。然而，芳綸材料剛性較強面對復(fù)雜的洋流環(huán)境難以表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦電輸出性能。通過靜電紡絲技術(shù)制備的電紡膜相較于致密膜，展現(xiàn)出更高的摩擦電輸出。其中，通過構(gòu)建對微機械波敏感的電極材料可以更容易地保持摩擦電納米發(fā)電機的簡易性。剛性基體的摩擦電極材料表現(xiàn)出穩(wěn)定的形狀保持能力和穩(wěn)定的輸出，但在微機械沖擊下，其摩擦電輸出性能相對較低。相比之下，基于先進多孔材料的軟彈性摩擦電極已被用于從微機械沖擊中收集摩擦電能，同時顯著降低了機械性能。因此，在水下摩擦電納米發(fā)電機的電極材料中，平衡剛性基體的輸出穩(wěn)定性和軟基體的輸出性能是一個有前途的研究方向。

3、因此，高彈性、高堆積功率密度的芳綸基電極材料在水下摩擦電納米發(fā)電機的實際應(yīng)用中具有重要意義。獨特結(jié)構(gòu)賦予材料卓越的強度和柔韌性，適用于制造輕量化、高效能的材料，賦予了其在水下高效收集能量的潛力。這種材料不僅有助于減輕結(jié)構(gòu)負擔，提高性能，還可應(yīng)用于穿戴、工程等領(lǐng)域，展現(xiàn)了多方面的應(yīng)用潛力。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料及其制備方法。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

3、高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料的制備方法，具體包括以下步驟：

4、步驟1、采用有機溶劑溶解間位芳綸，得到間位芳綸溶液，利用間位芳綸溶液進行靜電紡絲得到間位芳綸納米纖維膜；

5、步驟2、將帶陽離子基團的離子液體、溴化丁基橡膠和導(dǎo)電炭黑共混制備導(dǎo)電橡膠乳液；

6、步驟3、將多層間位芳綸堆疊后一起浸潤在上一步得到的導(dǎo)電橡膠乳液中，取出后高溫烘干，獲得柔性芳綸基摩擦電電極材料。

7、進一步的，所述步驟1中采用溴化鋰和n,n二甲基乙酰胺溶解間位芳綸，且間位芳綸、溴化鋰和n,n二甲基乙酰胺的質(zhì)量分數(shù)分別為8％、10％和82％，溶解溫度在60～90℃之間。

8、進一步的，靜電紡絲時，電紡機正電壓為+18kv、負電壓為-6kv，紡絲速度在1～1.5ml/h之間，紡絲溫度大于15℃，濕度低于50％，紡絲液不少于5ml，針頭型號為：23g。

9、進一步的，所述步驟3中，帶陽離子的離子液體、溴化丁基橡膠、導(dǎo)電炭黑和四氫呋喃的質(zhì)量分數(shù)分別為0.21％、20.92％、0.44％和78.43％，

10、進一步的，所述帶陽離子的離子液體包括丁基咪唑、1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-烷基-2,3-二甲基咪唑和2-烷基-甲基咪唑中的任意一種。

11、進一步的，所述步驟3中，間位芳綸膜的層數(shù)為三層，尺寸為5cm×5cm，導(dǎo)電橡膠乳液的含量為5～25ml，烘箱溫度在110～120℃之間。

12、高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料，由上述方法制備得到。

13、本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明一方面通過間位芳綸分子鏈內(nèi)的芳香性苯環(huán)及咪唑環(huán)中的π電子與帶陽離子基團的離子液體的咪唑陽離子之間發(fā)生π-陽離子相互作用。這種相互作用增強了丁基咪唑與間位芳綸表面之間的結(jié)合能力。另一方面，溴化丁基橡膠/導(dǎo)電炭黑中導(dǎo)電炭黑的芳香苯環(huán)與離子液體的咪唑環(huán)之間發(fā)生π-π相互作用，形成穩(wěn)定的離聚物?；陔x子液體與間位芳綸和溴化丁基橡膠/導(dǎo)電炭黑之間的強界面作用，溴化丁基橡膠/導(dǎo)電炭黑浸入在間位芳綸電紡膜內(nèi)形成的芳綸基摩擦電電極材料界面相容性提升，導(dǎo)致其彈性顯著提高。此外，溴化丁基橡膠/導(dǎo)電炭黑在電紡的間位芳綸膜內(nèi)形成不對稱的梯度結(jié)構(gòu)(表面的純間位芳綸作為摩擦電介電層，同時下層的間位芳綸/溴化丁基橡膠/導(dǎo)電炭黑作為導(dǎo)電層)，導(dǎo)致摩擦電輸出性能顯著提升。芳綸基水下摩擦電納米發(fā)電機展示出的高斷裂強度、高彈性、高摩擦電輸出表現(xiàn)對無外部支撐的水下摩擦電納米發(fā)電機起到至關(guān)重要的作用。

技術(shù)特征：

1.高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1中采用溴化鋰和n,n二甲基乙酰胺溶解間位芳綸，且間位芳綸、溴化鋰和n,n二甲基乙酰胺的質(zhì)量分數(shù)分別為8％、10％和82％，溶解溫度在60～90℃之間。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料的制備方法，其特征在于，靜電紡絲時，電紡機正電壓為+18kv、負電壓為-6kv，紡絲速度在1～1.5ml/h之間，紡絲溫度大于15℃，濕度低于50％，紡絲液不少于5ml，針頭型號為：23g。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，帶陽離子的離子液體、溴化丁基橡膠、導(dǎo)電炭黑和四氫呋喃的質(zhì)量分數(shù)分別為0.21％、20.92％、0.44％和78.43％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料的制備方法，其特征在于，所述帶陽離子的離子液體包括丁基咪唑、1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-烷基-2,3-二甲基咪唑和2-烷基-甲基咪唑中的任意一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，間位芳綸膜的層數(shù)為三層，尺寸為5cm×5cm，導(dǎo)電橡膠乳液的含量為5～25ml，烘箱溫度在110～120℃之間。

7.高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料，其特征在于，由權(quán)利要求1-6中任一項所述方法制備得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電納米電極材料及其制備方法，采用靜電紡絲和橡膠原位浸潤構(gòu)造了高彈性、高堆積功率密度的柔性芳綸基摩擦電電極材料。將間位芳綸溶液經(jīng)過靜電紡絲后浸潤到含有帶陽離子基團離子液體的溴化丁基橡膠/導(dǎo)電炭黑溶液中，經(jīng)原位反應(yīng)形成不對稱的柔性芳綸基摩擦電電極材料。并進一步組裝成高堆積功率密度的水下摩擦電納米發(fā)電機。由于帶陽離子基團離子液體在含有的強陽離子與間位芳綸、溴化丁基橡膠/導(dǎo)電炭黑的π電子分別形成了π電子——強陽離子的強界面作用，其彈性和摩擦電輸出性能顯著提升。同時，基于芳綸基體本身的強度，所構(gòu)筑的水下摩擦電納米發(fā)電機無需外部支撐，堆積功率密度提高。

技術(shù)研發(fā)人員：殷先澤,陳之誠,文先杰,宋毅恒,代家文
受保護的技術(shù)使用者：武漢紡織大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23