本發(fā)明涉及高分子纖維傳感，具體為一種三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜、制備方法及納米發(fā)電機。
背景技術(shù)：
1、摩擦納米發(fā)電機是一種基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)原理將機械能轉(zhuǎn)化為電能的微型能源裝置，可以收集各種形式的機械能，如運動、微風(fēng)、水流等；結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于制造；并且可以在低頻率下工作。摩擦納米發(fā)電機可以通過外界的作用力而自驅(qū)動產(chǎn)生變化電流，在感應(yīng)傳感領(lǐng)域有著很大的發(fā)展前景。
2、cn117187973a公開了一種高靈敏度可拉伸纖維傳感器機器制備方法，采用一軟段纖維和一硬段纖維作為原料，通過局域微結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備具有高靈敏度的可拉伸纖維傳感器，可以通過編織入織物中對人體運動進(jìn)行實施檢測，但是其受原料復(fù)雜與成本高的限制使得其在實際應(yīng)用中存在局限性。cn117230661a公開了一種使用纖維素納米纖絲為基體材料制備的摩擦電特種紙，在高溫下表面電荷密度可以達(dá)到196μc·m-2，但該發(fā)明由于纖維素材料本身局限性，只測試了在200℃時的耐高溫性能，在特殊的極端高溫環(huán)境下的應(yīng)用依舊具有一定的限制，且纖維素對于環(huán)境的適應(yīng)能力較差，在潮濕或者腐蝕的環(huán)境中易產(chǎn)生老化和裂解。cn116505791a公開了一種柔性摩擦納米發(fā)電機機器制備方法，該發(fā)明使用芳綸纖維紙作為正極，硅橡膠薄膜作為負(fù)極摩擦層，具有柔韌性好、機械性能強的優(yōu)點，并且發(fā)揮芳綸纖維耐高溫、耐化學(xué)腐蝕的優(yōu)點，有望在微納能源、人機交互等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，但硅橡膠在復(fù)雜的環(huán)境中易于發(fā)生老化變形，且需要較為復(fù)雜的設(shè)計才能與芳綸材料連接。
3、常見的摩擦材料可能有聚合物如pdms、fep，這些材料可能在機械強度、溫度耐受性方面存在問題，多數(shù)有機材料(如pet、pi)在溫度超過150℃時發(fā)生熱降解，無法用于高溫場景(如工業(yè)設(shè)備監(jiān)測、航空航天)。且環(huán)境適應(yīng)性弱，在潮濕、腐蝕性環(huán)境會加速材料老化，導(dǎo)致摩擦電荷密度衰減(如纖維素基材料)。此外，傳統(tǒng)材料可能在復(fù)雜環(huán)境下容易老化，或者需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，導(dǎo)致成本高或難以制造。而芳綸的耐高溫性能可以擴大應(yīng)用場景到高溫環(huán)境，高強韌性能使設(shè)備更耐用，延長壽命，適合可穿戴設(shè)備或極端條件；此外，芳綸的耐化學(xué)腐蝕性也是一個優(yōu)勢，適合化工或海洋環(huán)境。
4、因此，研究出一種能夠在高溫環(huán)境、潮濕腐蝕等極端環(huán)境中使用的高效率摩擦納米發(fā)電機，可以擴展該摩擦納米發(fā)電機的應(yīng)用范圍，可用作特殊環(huán)境中的人體感應(yīng)傳感、智能機器學(xué)習(xí)反饋、物體變化感應(yīng)以及電荷收集等領(lǐng)域。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)中摩擦納米發(fā)電機無法在高溫環(huán)境、潮濕腐蝕等極端環(huán)境中使用的問題，本發(fā)明提供一種三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜、制備方法及納米發(fā)電機。
2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
3、一種三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜，該柔性摩擦正極薄膜呈三明治結(jié)構(gòu)，其外側(cè)封層的芳綸紙采用芳綸纖維氣凝膠或造紙法進(jìn)行制備，內(nèi)層的芳綸納米纖維相轉(zhuǎn)化黏合層采用芳綸納米纖維原位生長相轉(zhuǎn)化法粘合；該柔性摩擦正極薄膜以芳綸納米纖維為主、以微納米尺度的纖維為輔的復(fù)合材料，且具有納米微米尺度的多級多孔結(jié)構(gòu)。
4、優(yōu)選的，微納米尺度的纖維為芳綸纖維微納纖絲、對位芳綸短切纖維和對位芳綸漿粕纖維。
5、一種三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜制備方法，包括以下步驟：
6、s1，利用芳綸纖維/水分散液制備芳綸紙；
7、以回收的對位芳綸廢料為原料在氫氧化鉀/二甲基亞砜/水體系中發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)制備芳綸納米纖維/二甲基亞砜分散液；
8、s2，在芳綸紙上涂覆芳綸納米纖維/二甲基亞砜分散液，并浸入水中進(jìn)行質(zhì)子化還原反應(yīng)，獲得柔性摩擦正極薄膜。
9、優(yōu)選的，步驟1中，芳綸紙的制備過程為：取芳綸纖維分散在水中獲得芳綸纖維/水分散液，經(jīng)疏解獲得纖維漿料，之后纖維漿料經(jīng)抄片獲得定量為70～90g芳綸紙。
10、優(yōu)選的，芳綸纖維為綸纖維微納纖絲、芳綸短切纖維、對位芳綸漿粕纖維或芳綸納米纖維中的任意兩種；芳綸纖維/水分散液的濃度為1％～5％；
11、解時轉(zhuǎn)數(shù)為10000-50000轉(zhuǎn)，纖維漿料的濃度為0.5～1.5％。
12、優(yōu)選的，步驟1中，回收的對位芳綸廢料來源于芳綸布、芳綸廢絲、芳綸紗線、芳綸手套中的一種或幾種。
13、優(yōu)選的，步驟1中，芳綸納米纖維/二甲基亞砜分散液的濃度為1％～5％。
14、優(yōu)選的，步驟2中，芳綸納米纖維/二甲基亞砜分散液在芳綸紙上的涂覆厚度為1-5μm。
15、優(yōu)選的，步驟2中，浸水時，涂覆有芳綸納米纖維/二甲基亞砜分散液的芳綸紙全部浸入水中，浸水時間為2～8h，且每1h換一次水。
16、一種三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦納米發(fā)電機，該發(fā)電機由上到下依次為上部封層、摩擦正極片、摩擦負(fù)極片和下部封層，其中，摩擦正極片采用所述的柔性摩擦正極薄膜制作，摩擦負(fù)極片采用聚酰亞胺、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、橡膠中的一種制成；組裝時，先裁切相同大小的的摩擦正極片和膜材負(fù)極片，然后分別在摩擦正極片和摩擦負(fù)極片的背面粘1貼銅膠帶，導(dǎo)線與上下兩個電極相連接，組成摩擦納米發(fā)電機。
17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
18、本發(fā)明一種三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜中以具有獨特納米尺度結(jié)構(gòu)、高強高模、高比表面積、高長徑比、耐溫性俱佳的芳綸納米纖維作為主要材料，輔以芳綸纖維微納纖絲、對位芳綸短切纖維、對位芳綸漿粕纖維等微納米尺度的纖維進(jìn)行復(fù)合，形成在納米微米尺度均有的多級多孔結(jié)構(gòu)，其豐富的孔道結(jié)構(gòu)使得摩擦的接觸面積有所增加，且電子的轉(zhuǎn)移與移動范圍擴大。其外側(cè)封層采用芳綸纖維氣凝膠或造紙法進(jìn)行制備，內(nèi)層采用芳綸納米纖維原位生長相轉(zhuǎn)化法粘合，且芳綸纖維的耐溫性能與阻燃性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)高分子材料，可用于航天、電機、絕緣等領(lǐng)域，有效保持器件在高溫狀態(tài)下的穩(wěn)定性與壽命，擴展芳綸纖維的應(yīng)用范圍和摩擦納米發(fā)電機在高溫領(lǐng)域下的應(yīng)用。
19、本發(fā)明一種耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜制備方法以芳綸納米纖維和芳綸短切纖維作為原料制備高性能芳綸紙時，配抄時候摻雜芳綸漿粕纖維或芳綸沉析纖維，芳綸紙組分維度差異大所致的紙張結(jié)構(gòu)蓬松、界面結(jié)合力強、機械強度和耐壓強度高，同時，也避免了直接使用芳綸納米纖維制備摩擦正極層而帶來的留著率低、濾水困難等問題。之后通過質(zhì)子化還原的芳綸納米纖維為高性能芳綸紙的粘合劑，具有獨特納米尺度結(jié)構(gòu)、高強高模、高比表面積、高長徑比、耐溫性和濕強度，其芳綸分子鏈由剛性的芳香環(huán)和酰胺鍵連接而成，這種結(jié)構(gòu)使得分子鏈具有較高的剛性和線性度，進(jìn)而提提升整個摩擦正極的拉伸強度。
1.一種三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜，其特征在于，該柔性摩擦正極薄膜呈三明治結(jié)構(gòu)，其外側(cè)封層的芳綸紙采用芳綸纖維氣凝膠或造紙法進(jìn)行制備，內(nèi)層的芳綸納米纖維相轉(zhuǎn)化黏合層采用芳綸納米纖維原位生長相轉(zhuǎn)化法粘合；該柔性摩擦正極薄膜以芳綸納米纖維為主、以微納米尺度的纖維為輔的復(fù)合材料，且具有納米微米尺度的多級多孔結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜，其特征在于，微納米尺度的纖維為芳綸纖維微納纖絲、對位芳綸短切纖維和對位芳綸漿粕纖維。
3.一種如權(quán)利要求1～2任一項所述的三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜制備方法，其特征在于，步驟1中，芳綸紙的制備過程為：取芳綸纖維分散在水中獲得芳綸纖維/水分散液，經(jīng)疏解獲得纖維漿料，之后纖維漿料經(jīng)抄片獲得定量為70～90g芳綸紙。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜制備方法，其特征在于，芳綸纖維為綸纖維微納纖絲、芳綸短切纖維、對位芳綸漿粕纖維或芳綸納米纖維中的任意兩種；芳綸纖維/水分散液的濃度為1％～5％；
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜制備方法，其特征在于，步驟1中，回收的對位芳綸廢料來源于芳綸布、芳綸廢絲、芳綸紗線、芳綸手套中的一種或幾種。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜制備方法，其特征在于，步驟1中，芳綸納米纖維/二甲基亞砜分散液的濃度為1％～5％。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜制備方法，其特征在于，步驟2中，芳綸納米纖維/二甲基亞砜分散液在芳綸紙上的涂覆厚度為1-5μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦正極薄膜制備方法，其特征在于，步驟2中，浸水時，涂覆有芳綸納米纖維/二甲基亞砜分散液的芳綸紙全部浸入水中，浸水時間為2～8h，且每1h換一次水。
10.一種三明治結(jié)構(gòu)的耐高溫芳綸纖維基柔性摩擦納米發(fā)電機，其特征在于，該發(fā)電機由上到下依次為上部封層、摩擦正極片、摩擦負(fù)極片和下部封層，其中，摩擦正極片采用權(quán)利要求1～2任一項所述的柔性摩擦正極薄膜制作，摩擦負(fù)極片采用聚酰亞胺、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、橡膠中的一種制成；組裝時，先裁切相同大小的的摩擦正極片和膜材負(fù)極片，然后分別在摩擦正極片和摩擦負(fù)極片的背面粘貼銅膠帶，導(dǎo)線與上下兩個電極相連接，組成摩擦納米發(fā)電機。