[发明专利]压电式发电机用细菌纤维素基纳米碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于发电纤维技术领域，具体涉及一种压电式发电机用细菌纤维素基纳米碳纤维的制备方法。

背景技术

纳米技术作为21世纪的一个重要新兴科技领域， 在理论与实践上正经历着高速的发展。大量新型纳米材料与器件不断被开发出来，并在生物医学、国防以及人们日常生活的各个领域中展现出前所未有的应用前。然而，纳米技术发展到今日，大量的研究都集中于开发高灵敏度，高性能的纳米器件，几乎还没有任何关于纳米尺度的电源系统研究。但是， 应用于生物及国防等方面的纳米传感器对这种电源系统的需求却与日俱增。例如, 无线纳米系统对于实时同步内置生物传感器和生物医药监控，生物活体探测具有重大的意义。然而，任何生物体内置的无线传感器都需要电源， 一般来说，这些传感器的电源直接或者间接来源于电池。如果这些传感器能物体内自己给自己提供电源， 从而实现器件和的同时小型化， 这是科学家们一直所梦寐以求的， 因此，开发出能将运动、振动、流体等自然存在的能转化为电能从而实现无需外接电源的纳米器新型纳米技术具有极其重要的意义。这一技术大减小电源尺寸的同时提高能量密度与效率，成纳米系统的微型化方面将产生深远的影响。

常规压电材料由于化学成分及晶体结构较复杂，很难合成出高质量的具有纳米尺度的结构。因此，高的输出功率只能通过增加尺寸和外界作用力来实现，无法实现小尺寸与大功率的有机结合。

碳纤维作为新一代复合材料的补强纤维，以其高强度高模量比，低密度，低x光吸收率，抗腐蚀、耐烧蚀、抗疲劳，耐热冲击，导电导热、膨胀系数小和自润滑等优异性能，与金属、树脂、橡胶、玻璃等组成复合材料广泛应用于从航天、航空、航海等高技术产业到汽车、建筑、轻工等各个领域。高性能碳纤维是高技术复合材料中最重要的增强材料，对国防军工和国民经济有着举足轻重的影响，发展高性能碳纤维的生产技术对发展我国碳纤维工业和高性能复合材料有重要意义。

碳纤维主要由碳元素组成，其碳含量一般高于95％，另外还含有微量的氢(少于l％)。对于聚丙烯腈基碳纤维来说，还含有4—7%的氮。碳纤维的基本结构单元是石墨晶体，其碳原子化学键结构与芳烃环的CC原子结构相似，在石墨层平面上由SP²电子杂化轨道形成0-键，又由P电子轨道在该平面垂直向上形成π键。如此形成的一个个迭台的碳键十分牢固；而相邻平面层间的C-C原子间则形成较弱的金属键。而石墨晶片则沿纤维轴向上优先取向排列。碳纤维所具有的卓越的高强高模量的力学性能便是由这种基本的结构特征所决定的。尽管在石墨晶片上呈现着优异的高强性能，在其片层之间却呈现着较低的剪切强度。为消除这种剪切强度不足对碳纤维力学性能的影响，在碳纤维中不再存在石墨片层晶格无限大的完美石墨结构，石墨片层以无限小的聚芳烃结构沿碳纤维轴向优先取向地无序排列，从而使碳纤维呈现着独特的层堆无序性结构特征。

纳米碳纤维是指具有纳米尺度的碳纤维，即纤维直径小于1000nm。纳米碳纤维依其结构可分为纳米碳管及纳米碳纤维，纳米碳纤维一般是指纤维直径在50~500nm大小范围的实心纳米碳纤维。纳米碳纤维具有高的强度、质轻、导热性良好及高的导电性等特性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种压电式发电机用细菌纤维素基纳米碳纤维的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的压电式发电机用细菌纤维素基纳米碳纤维的制备方法，包括如下步骤：

（1）将细菌纤维素湿膜、LiFePO4、吐温-80和机粘结剂一起混合在氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑中，将以上材料均匀搅拌混合得到纤维素纺丝液；纺丝液中细菌纤维素的质量百分含量为5-10%，LiFePO4的质量百分含量为5-10%，吐温-80的质量百分含量为0.5-1.5%，有机粘结剂的质量百分含量为0.2-2%；

（2）将制备好的纤维素纺丝液采用湿纺工艺制得细菌纤维素纤维；

（3）将以上细菌纤维素纤维经液氮浸没处理，将经液氮处理后的细菌纤维素纤维放入真空冷冻干燥机中冻干；

（4）将真空冷冻干燥后的细菌纤维素纤维放置于马费炉中，在纯氩的保护气氛下在 600℃ ~1500℃ 的条件下进行碳化，从而制备出LiFePO4/C纳米纤维；

（5）将碳化后的试样放置在高温石墨化炉中，在纯氩的保护气氛下分别在 2200℃~ 2800℃的温度下进行石墨化，形成石墨化LiFePO4/C纳米纤维。

所述的有机粘结剂为聚乙烯醇或聚乙二醇。