[发明专利]一种压电气凝胶膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种压电气凝胶膜，由直径为2～6nm、平均长度为0.5～10μm的表面氧化的纤维素纳米纤维与层状金属二硫化物在水中混合，通过凝胶化、溶剂置换、冷冻干燥、冷压制膜并高压极化制备得到。本发明优选具有特定直径和长度的TEMPO氧化法处理的纤维素纳米纤维与单片层或少片层状MoS₂纳米片复合，使得层状MoS₂分散后形成的MoS₂纳米片均匀分散在TOCN中，处于完全剥离状态，并通过溶剂置换及冻干过程，所得复合材料具有超多孔结构，并通过优选的TOCN和MoS₂恰当比例使所得气凝胶压电膜具有很高的压电性能输出。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种压电气凝胶膜及其制备方法。

背景技术

当前塑料等白色污染日趋严重，必须开发可再生材料以取代传统石化产品。因此，生物质原料显得越来越重要。纤维素是自然界中储量最为丰富的天然高分子，其在植物中自组装成天然的纤维素纳米纤维，由于这种纤维素纳米纤维可生物降解、可再生、环境友好，还具有优异的力学性能和良好的透光性等特点，近年来吸引了广泛关注，成为生物质纳米材料研究领域的新兴热点。

MoS₂(层状金属二硫化物)是一类具有二维片层类石墨烯结构的带金属光泽粉末，单层状及奇数层二硫化钼纳米片具有不对称的晶体结构，优异的压电活性、热稳定性等。将纤维素纳米纤维和MoS₂复合能够综合二者的优点，获得强压电活性的复合压电膜。但目前制备的纤维素纳米纤维/层状金属二硫化物复合压电膜压电性能输出低，已报到的面积为4.5cm²复合致密膜器件开路电压输出约在4.1V，短路电流为0.21uA。而且通常所用纤维素纳米纤维是由强酸水解法或机械分离法等方法得到的，存在纤维长度较短、粗细分布不均匀等缺点，导致制备的复合膜综合性能低下。

发明内容

本发明目的在于提供一种表面氧化纤维素纳米纤维/层状金属二硫化物气凝胶压电膜及其制备方法，所得复合材料具有超多孔结构且有很高的压电性能输出，具备轻质、廉价、安全环保等优点，同时工艺简单，操作方便，对环境无污染。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种压电气凝胶膜，由直径为2～6nm、平均长度为0.5～10μm的表面氧化的纤维素纳米纤维与层状金属二硫化物在水中混合，通过凝胶化、溶剂置换、冷冻干燥、冷压制膜并高压极化制备得到。

按上述方案，所述表面氧化的纤维素纳米纤维按以下方式制备而来：

将TEMPO与NaBr按质量比1:(1～10)加入水中，搅拌至完全溶解；

按质量比TEMPO：天然纤维素＝(0.01～0.1):1加入天然纤维素；

然后按质量比TEMPO:NaClO＝(0.01～0.1)：1加入NaClO；

用NaOH溶液调节体系pH值为7～14，在10～60℃下氧化反应0.5～6h后过滤、洗涤、干燥得到表面氧化的纤维素纳米纤维。

按上述方案，所述层状金属二硫化物为已剥离的单片层或少片奇数层二硫化钼粉末。

上述压电气凝胶膜的制备方法，包括以下步骤：

1)将TEMPO与NaBr按质量比1:(1～10)加入水中，搅拌至完全溶解；按质量比TEMPO：天然纤维素＝(0.01～0.1):1加入天然纤维素；然后按质量比TEMPO:NaClO＝(0.01～0.1)：1加入NaClO；用NaOH溶液调节体系pH值为7～14，在10～60℃下氧化反应0.5～6h后过滤、洗涤、干燥得到表面氧化的纤维素纳米纤维(TOCN)；