[发明专利]基于静电纺丝聚丙烯腈基压电纳米发电机的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于静电纺丝聚丙烯腈基压电纳米发电机的制备方法，该方法以聚丙烯腈作为压电纤维膜的主要材料，以KNNLT作为纤维膜的增强压电性能材料，以氧化石墨烯作为聚丙烯腈的导电材料，于60℃对混合物料进行加热并搅拌促进物料混合均匀，再通过静电纺丝机制得聚丙烯腈基压电纳米发电机。本发明制备聚丙烯腈基压电纳米发电机力学性能良好且具有优异的电性能。

技术领域

本发明属于压电纳米发电机技术领域，具体涉及一种基于静电纺丝聚丙烯腈基压电纳米发电机的制备方法。

背景技术

压电纳米发电机是由王中林院士及其科研团队开发的一种可将机械能转换为电能的新型装置，自其诞生以来，以独特的技术手段引起了科研界的广泛关注。自供电传感器在过去几年得到快速发展，因为它不仅可以用于智能服装和生物医学应用，还可以用于未来的远程控制机器人系统。然而，传统的压电纳米发电机具有输出信号低、对环境不友好、灵敏度差的缺点。如今，开发陶瓷-聚合物混合无铅压电复合材料，以制造优良的柔性能量采集器和自供电传感器是当前社会的研究热点。压电纳米发电机作为收集电能以及传感器的信号来源，特别是有机/无机压电纳米发电机通过该高压静电纺丝技术具有制备工艺简单、可制备微纳米级纤维、柔性好、输出信号高等特点，被广泛应用在各个领域。

聚丙烯腈是近几年被发现具有高压电性能的一种压电聚合物，相比于无机材料，它具有很好的柔韧性，因此，为了提高压电纳米发电机的压电性能以及柔软性把有机/无机材料聚合具有很大的应用潜力，其中压电陶瓷材料是提高聚丙烯腈压电性能的优良选择。压电陶瓷材料因其能够提高聚丙烯腈的电性能受到研究者的青睐，其中(K_0.48Na_0.48Li_0.04)(Nb_0.8Ta_0.2)O₃(KNNLT)陶瓷材料因具有高压电性能而得到广泛研究。氧化石墨烯能够以片状的结构分散在聚合物基体中，从而提高聚合物的导电性而得到研究人员追捧。本发明中把氧化石墨烯、KNNLT共同加入到聚丙烯腈聚合物中，借助KNNLT的高压电性能改善聚丙烯腈的低压电性能，借助氧化石墨烯的导电性进一步提高聚丙烯腈基压电纳米发电机的电性能，在柔性压电纳米发电机领域具有潜在的应用前景。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的基于静电纺丝聚丙烯腈基压电纳米发电机的制备方法，该方法以聚丙烯腈作为压电纤维膜的主要材料，以KNNLT作为纤维膜的增强压电性能材料，以氧化石墨烯作为聚丙烯腈的导电材料，于60℃对混合物料进行加热并搅拌促进物料混合均匀，再通过静电纺丝机制得聚丙烯腈基压电纳米发电机。本发明制备聚丙烯腈基压电纳米发电机力学性能良好且具有优异的电性能。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于静电纺丝聚丙烯腈基压电纳米发电机的制备方法，其特征在于具体过程为：

步骤S1：将碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、五氧化二铌和五氧化二钽加入球磨罐中并加入无水乙醇进行球磨，再于60~80℃烘干得到物料A；

步骤S2：将物料A置于马弗炉中以1~5℃/min的升温速率升温至800~900℃煅烧2~6h，冷却至室温后得到物料B；

步骤S3：将物料B、聚丙烯腈、氧化石墨烯和N,N-二甲基甲酰胺依次加入反应容器中，于60℃油浴中以400~600r/min的速率混合搅拌6h得到物料C；

步骤S4：将步物料C抽取至静电纺丝针管中，选择合适针头，调整电压为10~20kV，静电纺丝机温度为20~25℃，湿度为30%~40%，纺丝结束后于60~80℃干燥得到聚丙烯腈基纤维膜；

步骤S5：将导电碳布分别贴于聚丙烯腈基纤维膜两侧，导线分别贴于正、负电极上方，其结构为三明治型，最终得到聚丙烯腈基压电纳米发电机。

进一步限定，步骤S1中碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、五氧化二铌和五氧化二钽的投料摩尔比为12:12:1:20:5。

进一步限定，步骤S2中煅烧过程在空气氛围下进行，升温速率为3℃/min。