[发明专利]一种基于织物改性的电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于织物改性的摩擦发电机电极材料及其制备方法和应用。本发明通过将织物与酰氯化碳纳米管结合，然后接枝聚乙烯亚胺增强传统织物材料摩擦带电产生的表面电荷。改性织物与聚合物、织物等的循环接触时产生电荷转移，在其分离时产生电势差，驱动电子通过外电路在两个电极之间流动，从而将运动中的机械能转化为电能。本发明所述基于织物改性的摩擦发电机电极材料的制备方法成本低、工艺简单、应用范围广，极大的提高了传统织物的摩擦纳米发电性能，提高了机械能转化为电能的转化效率，促进了高性能可穿戴纳米发电机的发展和应用。

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，更具体地，涉及一种基于织物改性的摩擦发电机电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

纳米发电机是一种可以收集机械能并将其转化为电能的新型装置，纳米发电机的研发和应用推广得到了广泛关注。摩擦纳米发电机是基于摩擦电效应和静电感应的耦合效应，当两种电性能不同材料接触时产生静电荷，两个材料被机械力分开时，静电荷产生的电势差会驱动电子通过外电路在两个电极之间流动，从而实现机械能和电能的转化。相比传统压电材料，摩擦纳米发电机其具有高能量转化率、高输出功率，高灵敏度，高适应性，和低成本等优势。

由于摩擦纳米发电机可将电子器件和穿戴功能完美结合，摩擦纳米发电机在柔性和可穿戴电子领域的应用日益得到关注。身体运动的间歇能量被认为是最丰富的能源之一，特别是来自人类行走、关节运动、肌肉拉伸等。在柔性和穿戴器件方面，织物本身重量轻、形状适应性强，机械强度可靠，基于普通织物的摩擦纳米发电机是可穿戴和柔性电子产品的理想选择。然而，传统织物材料由于较弱的得电子和失电子能力，其摩擦发电性能普遍较低，电荷供应能力弱，摩擦纳米发电机的能量收集效率有限。相比于研发新型织物材料，通过纳米及化学改性的方法调控织物表面的得失电子能力是一种十分简便和经济的方法，理想的改性方法能够有效增强织物的摩擦发电性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对普通织物的发电性能低，电荷供应能力弱的不足，提供一种基于织物改性的摩擦发电机电极材料。

本发明要解决的另一技术问题是一种基于织物改性的电极材料的制备方法和应用。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于织物改性的摩擦发电机电极材料，制备步骤包括：

S1.碳纳米管酰氯化：将碳纳米管超声分散至氯仿溶液中，在碳纳米管氯仿溶液中加入亚硫酰氯和N，N-二甲基甲酰胺，恒温搅拌得到酰氯化的碳纳米管溶液；

S2.织物与酰氯碳纳米管结合：取干燥、洁净的织物进行等离子体处理，然后浸入S1的酰氯化的碳纳米管溶液中反应结合，反应后将织物取出干燥，得到酰氯碳纳米管结合的织物；

S3.接枝聚乙烯亚胺：将酰氯碳纳米管结合的织物置于聚乙烯亚胺水溶液中反应，反应后取出水浴，去除溶剂，干燥后得到碳纳米管-聚乙烯亚胺改性织物的电极材料。

进一步地，S1所述碳纳米管氯仿溶液中碳纳米管的浓度为0.1～0.8mg/mL。

进一步地，S1亚硫酰氯的添加量与碳纳米管含量的比例为1～4mL:1mg。

进一步地，所述N，N-二甲基甲酰胺作为催化剂，其添加量为20～50μL。

进一步地，S1所述恒温搅拌的温度为45～60℃，时间为20～45min。

进一步地，S2所述织物浸入酰氯化的碳纳米管溶液的反应温度为45～55℃，反应时间为7～15min。

进一步地，S3所述聚乙烯亚胺水溶液的质量分数为0.1～0.3wt.％。

进一步地，S3所述接枝聚乙烯亚胺的反应时间为10～20min。