[发明专利]聚偏氟乙烯复合纳米纤维材料及其在摩擦纳米发电机上的应用

说明书

本发明提出一种聚偏氟乙烯复合纳米纤维材料及其在摩擦纳米发电机上的应用，该材料通过使用打印机墨粉中纳米粒子作为填料提高其输出性能，解决了以往纳米填料成核剂合成工艺复杂、成本高等缺点。该材料可用作摩擦纳米发电机的负极材料，制造工艺简单，成本低，生产的摩擦纳米发电机具有优越的输出性能。本发明通过静电纺丝技术制备的复合纳米纤维材料，具有制作工艺便捷，设备简单的特点。本发明以商用打印机墨粉作为填料，原料容易获得，可以从市场上直接获得，不用耗费时间合成且成本效益低，并且能有效提升聚偏氟乙烯β相含量，增强摩擦纳米发电机的输出性能。

技术领域:

本发明涉及一种聚偏氟乙烯复合纳米纤维(PVDF-PI NF)材料，通过使用常用打印机墨粉中的纳米颗粒作为填料，进一步提高输出性能，可用作摩擦纳米发电机的阳极材料，属于纳米材料技术领域。

背景技术:

近年来，对于可以替代化石能源以及含铅电池的低碳、绿色能源的开发及储存引起了研究人员的广泛关注。纳米发电机是将某种材料在纳米尺度范围内界面上的机械能和热能转化为电能的设备，已经成为人们关注的焦点。纳米发电机作为自供电电子设备，产生的能量可以存储在电容器中，为可穿戴电子器件提供电能，这比使用电池更加低碳环保更加具优势。

在纳米发电机中，电信号主要以两种方式产生：摩擦电和压电。即摩擦纳米发电机(TENG)和压电纳米发电机(PENG)。当两个摩擦材料层相互接触时，层之间将发生电荷运动以保持电荷平衡。通过接触和分离，TENG可以收集环境中的机械能并转化为电能。其简单的制造要求，常规的制造材料，低频操作，提高输出的纳米级灵敏度以及通用的应用使TENG成为最有效的当代自供电系统和环境能量收集设备。

聚偏氟乙烯(PVDF)是一种轻质，易于加工，灵活且可穿戴的应用材料，除了具有铁电和压电特性外，PVDF的β相具有显着的电活性特性。目前，静电纺丝是一种获得β相的有效方法，通过掺杂作为成核剂的纳米填料，包括钛酸钡，水合离子盐，银纳米颗粒，碳纳米管，纳米线，氧化锌，石墨烯，粘土等，可以提高β相含量，从而提高压电性能。

对于高性能的摩擦纳米发电机，最重要的因素是选择独特的摩擦电材料以及具有低成本效益的制造方法，然而这些纳米填料成核剂合成工艺复杂，成本高，并且会消耗大量时间合成，不利于商业化大量生产制造。因此急需开发一种具有简单高效的制作工艺且成本低的摩擦电材料，而且对于基于PVDF纳米纤维的摩擦纳米发电机，输出性能也并不理想，因此优化摩擦纳米发电机的输出性能也尤为重要。

发明内容:

本发明针对现有技术的不足，提出一种聚偏氟乙烯复合纳米纤维(PVDF-PI NF)材料，该材料通过使用打印机墨粉中纳米粒子作为填料提高其输出性能，解决了以往纳米填料成核剂合成工艺复杂、成本高等缺点。

本发明另一目的是提供上述材料在摩擦纳米发电机上的应用，该材料可用作摩擦纳米发电机的负极材料，制造工艺简单，成本低，生产的摩擦纳米发电机具有优越的输出性能。

一种聚偏氟乙烯复合纳米纤维材料，该材料以打印机墨粉纳米粒子作为填料，通过静电纺丝技术制备而成，包括以下步骤：

1)将丙酮与N,N-二甲基甲酰胺按体积比为2:3混合均匀，得混合溶液备用；

2)加入占混合溶液质量体积比为1～20w/v％的打印机墨粉，室温下搅拌均匀；

3)继续加入占混合溶液质量体积比为9～15w/v％的聚偏氟乙烯粉末，45℃下搅拌均匀；

4)待溶液搅拌均匀，超声处理10～30min，使纳米颗粒分布均匀，形成稳定的溶液，然后进行静电纺丝，得到聚偏氟乙烯复合纳米纤维材料。

进一步地，纺丝过程中，使用铝箔收集纳米纤维，静电纺丝结束后，取下铝箔，得到聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜材料。