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        鈣離子調(diào)控納米纖維素基TENG性能的研究

        2021-04-20 09:09:56吳曉飛付曉飛張正健陳蘊智
        天津造紙 2021年3期
        關(guān)鍵詞:墨水纖維素黏度

        吳曉飛,魏 雨,付曉飛,張正健,陳蘊智

        (天津科技大學輕工科學與工程學院,天津 300457)

        為了響應(yīng)2030年前實現(xiàn)“碳達峰”、2060年前實現(xiàn)“碳中和”的國家號召,開發(fā)可持續(xù)、環(huán)境友好的清潔能源已經(jīng)成為了當下的研究熱點[1]。摩擦納米發(fā)電機(TENG)擁有獨特的發(fā)電方式和結(jié)構(gòu),便于收集和利用日常生活中的不易察覺的能量[2-4],可以為雙碳戰(zhàn)略做出重要貢獻。

        TENG獨特的發(fā)電原理和結(jié)構(gòu)使得其可以廣泛用于各種器件[5],然而使用非環(huán)境友好型材料制備TENG勢必會造成污染。因此,需要對環(huán)境友好型材料進行改進以使其能用于制備TENG[6-8]。

        研究表明,纖維素與離子結(jié)合可以實現(xiàn)不同的功能。FRANCON等[9]以微米纖維素纖絲(CMF)為主要結(jié)構(gòu)骨架,填充納米纖維素纖絲(CNF)制備氣凝膠,材料成型后,負載銀離子用于殺菌。ABOUZEID等[10]使用海藻酸鈉和納米纖維素凝膠(CNF)共混制成墨水,采用3D打印得到網(wǎng)狀層結(jié)構(gòu),最后使用氯化鈣溶液與海藻酸鈉內(nèi)交聯(lián)固化,得到了可以用于醫(yī)療領(lǐng)域,生物相容性好的骨質(zhì)硬化網(wǎng)狀物。CAI等[8]在醋酸纖維素/聚氨酯(CA/PU)正摩擦層表面接枝銨根離子(NH3+),將其轉(zhuǎn)變成了離子型合物,以增強離子轉(zhuǎn)移,可以使TENG產(chǎn)生更多電荷轉(zhuǎn)移,從而產(chǎn)生更大功率輸出。

        本文采用天然纖維素為主要材料制備TENG,研究了鈣離子調(diào)控對納米纖維素基TENG性能的影響。以CNF水凝膠為主要材料,通過添加甲基纖維素(MC)得到黏度適中、流變性能好的3D打印墨水,通過3D打印得到擁有結(jié)構(gòu)化圖案特征的正極材料,并用于制備垂直接觸-分離式摩擦納米發(fā)電機。通過在制備的CNF水凝膠中添加CaCl2來改變電極材料的介電常數(shù)和表面結(jié)構(gòu),探究添加量對電極材料發(fā)電性能、壓縮性能的影響。

        1 實驗

        1.1 原料與試劑

        桉木漂白硫酸鹽漿,化學漿,江蘇芬歐匯川紙業(yè)有限公司。

        TEMPO,化學純,北京華夏遠洋科技有限公司;次氯酸鈉,分析純,天津市元力化工有限公司;溴化鈉,分析純,北京華夏遠洋科技有限公司;鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇,分析純,天津市江天化工技術(shù)有限公司;甲基纖維素,化學純,上海邁瑞爾化學技術(shù)有限公司;無水氯化鈣,分析純,天津市北辰區(qū)方正試劑廠。

        1.2 實驗儀器

        STARTER 3C型pH計,奧豪斯儀器有限公司;BQ50-1J型蠕動泵,保定蘭格恒流泵有限公司;KQ-600DE型數(shù)控超聲清洗器,昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司;AH-1000型高壓均質(zhì)機,加拿大ATS工程有限公司;H1650型臺式高速離心機,湖南湘儀實驗儀器有限公司;E2V型直接書寫打印機,Nordson EFD;Alpha 1-2 LDplus型冷凍干燥機,德國CHRIST凍干機有限公司;CAP2000+L型黏度計,美國Brookfield公司;JSM-IT300LV型掃描電子顯微鏡(SEM),日本電子公司;DM422s型電機控制平臺、EPSA-100型往復(fù)儀,武漢紅星楊科技有限公司;2450型源表,美國keithley公司。

        1.3 實驗方法

        1.3.1 CNF水凝膠制備

        首先,稱取適量的纖維素原料,使用去離子水浸泡軟化,并倒入三頸燒瓶中,300 r/min低速攪拌。然后,將TEMPO藥品和溴化鈉固體溶于去離子水中水浴加熱至完全分散。將TEMPO/NaBr水溶液緩慢導入裝有纖維素原料分散攪拌的三頸燒瓶中。隨后,使用蠕動泵緩慢滴入NaClO溶液,保持體系pH值在10左右。待全部NaClO溶液加入且pH值穩(wěn)定在10不會波動時,加入無水乙醇停止反應(yīng)。將得到的漿料用去離子水反復(fù)清洗至中性。最后進行高壓均質(zhì),得到CNF水凝膠。

        1.3.2 TENG正極材料制備

        將上述CNF水凝膠與適量的甲基纖維素(MC)混合并充分攪拌,以便得到適合打印的黏度;以該體系作為分散體加入適量的CaCl2粉末,繼續(xù)攪拌至CaCl2粉末完全分散在體系內(nèi);使用直接書寫式3D打印機將正極材料打印成型,具體操作如下:設(shè)定打印機的程序,打印形狀為4 cm×4 cm的方形,橫縱交替打印4層。在打印的過程中使用液氮進行冷凍定型;最后,將打印成型的正極材料放入冷凍干燥機中干燥12 h[11]。

        1.3.3 打印墨水黏度測試

        設(shè)置速度從5 r/min開始,每經(jīng)過一個循環(huán)速度增加5 r/min,直到100 r/min,測試在不同速度下試樣的黏度變化。程序設(shè)置完成后安裝黏度測試頭,空轉(zhuǎn)以測試黏度計是否正常工作。在測試頭正下方圓形區(qū)域放置待測試樣,保證試樣在測試頭中心,下壓測量頭開始測量。

        1.3.4 SEM表征

        對干燥完成的正極材料的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行形貌觀察。將截取的一段試樣放入液氮中脆斷,注意保證脆斷面不被破壞。分別使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測試樣的表面和脆斷后的斷面,在90倍放大倍數(shù)下觀察整體結(jié)構(gòu)形狀,分別在1000和7000的高放大倍數(shù)下觀察表面和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

        1.3.5 TENG性能測試

        采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為負極材料組裝TENG。將組裝完成的TENG固定在壓縮測試裝置上,正負極連接數(shù)字源表,測試其在速度為5、15、30 mm/min時的壓縮性能和發(fā)電電壓。

        循環(huán)穩(wěn)定性的測試方法是,搭建往復(fù)儀,設(shè)置程序往復(fù)一次檢查往復(fù)儀是否正常工作,安裝TENG并連接數(shù)字源表,循環(huán)開始時檢測電壓,待出現(xiàn)穩(wěn)定峰值時結(jié)束測量。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 3D打印墨水黏度分析

        擠出式3D打印墨水需要有一定的黏度和流變性,以保證在墨水通過針管時有良好的延展性、打印出的圖案完整順暢。墨水黏度過高會堵塞噴頭導致斷線,黏度過低則會導致打印線條彎曲甚至堆疊。用于打印正極材料的3D打印墨水的黏度測試結(jié)果如圖1所示。從圖1(b)中可以看出,隨著檢測頭轉(zhuǎn)速的增加,墨水的黏度不斷減小,說明墨水具有適于擠出式3D打印的切稀效應(yīng)。根據(jù)圖1綜合分析可以得出結(jié)論,CaCl2添加量對于墨水黏度和流變性的影響不大,墨水的黏度性質(zhì)主要靠體系中的MC賦予。

        圖1 鈣離子交聯(lián)正極3D打印墨水的黏度分析

        2.2 正極材料表面形貌分析

        經(jīng)過冷凍干燥后,正極材料的質(zhì)量大大減少,成為質(zhì)軟的類似塑料泡沫材質(zhì)的氣凝膠體,整體呈白色,宏觀表面較為粗糙,相較于干燥前體積略微縮小,正極材料的實物圖如圖2所示。材料具有一定的彈性,但受到過大的壓力時會造成不可逆的塑性變形。韌性隨溫度下降而下降,溫度過低時材料顯現(xiàn)出脆性。

        2.3 正極材料SEM分析

        從圖3(a)放大90倍的SEM圖中可以看出,正極材料的表面粗糙程度較高,并且存在直通內(nèi)部的孔隙,孔隙周圍存在明顯的層狀結(jié)構(gòu)。在圖3(b)中可以觀察到層狀結(jié)構(gòu)是不規(guī)則排列的,這樣的形狀和排列方式可以很好地提高材料的孔隙率,賦予其彈性。此外,層狀物中廣泛分布著大量的顆粒,根據(jù)標尺可以估測出顆粒在100 nm至500 nm。經(jīng)過分析該小顆粒為鈣鹽,在正極墨水制備環(huán)節(jié),加入CaCl2粉末后體系中的鈣離子和空氣中的二氧化碳反應(yīng)形成碳酸鈣固體。

        空白正極材料的表面較為完整,分布著大量球狀突起,不存在如鈣離子交聯(lián)正極材料那樣直通內(nèi)部的微孔。分析其形成原因為,在攪拌過程中纖維素絮聚,并在冷凍干燥過程中被體系內(nèi)水分凝結(jié)成的冰晶擠出表面。

        從圖4正極材料斷面的SEM圖中可看出,使用鈣離子交聯(lián)后正極材料擁有規(guī)則的片層結(jié)構(gòu),這樣的結(jié)構(gòu)在作用力下有著更好的形狀穩(wěn)定性。在4(c)中可以看到形成的球狀突起上附著了小顆粒。由此得出結(jié)論,鈣鹽顆粒的存在有助于材料內(nèi)部片層結(jié)構(gòu)的形成。

        圖4 正極材料斷面SEM圖

        在放大90倍下觀察,空白樣斷面的孔隙率明顯更小,即使放大1000倍,空白樣的結(jié)構(gòu)仍然是珊瑚狀雜亂的多空結(jié)構(gòu)。在放大7000倍下才能看出空白樣的最小結(jié)構(gòu)單元是條狀結(jié)構(gòu)彼此交織糾纏在一起形成的,這就導致了即使在初步組成結(jié)構(gòu)時條與條之間有很大空間,在彼此交織堆積之后形成的整個整體仍然缺少彈性。

        2.4 TENG壓縮性能分析

        圖5(a)為用未添加CaCl2的電極材料(空白對照)組裝TENG在壓縮時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。隨著應(yīng)力的增加,應(yīng)變幾乎是以線性增加,但在應(yīng)力減小到0.008 N/mm2時,形變量突然從15%減小到13%。這表明該材料在壓縮時發(fā)生了不可逆的塑性變形。結(jié)合空白正極材料SEM圖分析,由于其孔隙率較低,且最小構(gòu)成單元是條狀物,這樣的結(jié)構(gòu)對于垂直方向上的應(yīng)力抵抗能力較弱。在初次壓縮時施加在樣品上的應(yīng)力令其發(fā)生壓縮變形,導致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條狀支撐結(jié)構(gòu)斷裂破損,從而形成了大面積的結(jié)構(gòu)塌縮,對應(yīng)的就是從15%到13%的突變。由此看出空白樣的可壓縮性和彈性較差。隨著壓縮速度的增加,達到相同應(yīng)變的應(yīng)力略有增加,但三條線幾乎重合,壓縮速度對于空白樣的壓縮性幾乎沒有影響。

        圖5 TENG的壓縮性能分析

        所有的鈣離子交聯(lián)正極材料在壓縮和回彈時的兩條應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合,壓縮和回彈過程都按照固定的路線變化。這一現(xiàn)象表明了在交聯(lián)了鈣離子后正極材料的彈性得到的改善,不會不可逆的塑性變形。當CaCl2質(zhì)量分數(shù)為0.3%時,最大應(yīng)力達到峰值;此后,隨著CaCl2質(zhì)量分數(shù)的增大最大應(yīng)力不斷減小。

        2.5 TENG電壓性能分析

        圖6為不同濃度鈣離子交聯(lián)正極材料組裝的TENG的電壓測試結(jié)果。當CaCl2質(zhì)量分數(shù)為0.3%時,不僅輸出電壓最大,而且在三個不同的壓縮速度下幾乎有著相同的輸出電壓。相比之下,其他CaCl2質(zhì)量分數(shù)時的輸出電壓不但不穩(wěn)定,當CaCl2質(zhì)量分數(shù)為0.8%時,在15 mm/min和30 mm/min的壓縮速度下的輸出電壓甚至沒有明顯的峰值。經(jīng)分析該現(xiàn)象的成因是循環(huán)次數(shù)太少導致的電壓不穩(wěn)定。

        圖6 TENG的電壓輸出性能

        TENG的發(fā)電機制決定了其發(fā)電性能受到電極材料極性的影響,即摩擦材料之間的極性差。電極材料的電荷密度越大,其輸出電壓就越高,提升材料電荷密度主要有兩個方法:其一是材料表面改性,通過吸附或離子注入的手段單極性帶點離子與摩擦材料相結(jié)合,從而提高材料電荷密度[12]。另一種方法是在材料中添加填料,一般添加如導電納米顆?;蚋呓殡娂{米顆粒來增加材料的電荷密度[13]。

        基于上述已有理論做出推斷,在正極材料中添加CaCl2后,游離的氯離子可以增強材料的電荷密度。根據(jù)SEM圖觀察得到的結(jié)論,添加CaCl2后的材料中出現(xiàn)了納米顆粒。在以上兩種原因的共同作用下,TENG的輸出電壓得到了顯著提高。當添加的CaCl2增多時,鈣離子與纖維上的羧基等負電荷中心形成化學鍵或靜電吸附,導致纖維表面逐漸失去負電性[14],因此隨著CaCl2添加量增大,TENG的輸出電壓有下降的趨勢。

        3 結(jié)束語

        本文采用納米纖維素為主要材料,采用3D打印的方式制作TENG正極,通過添加CaCl2改善其壓縮和發(fā)電性能,發(fā)現(xiàn)添加CaCl2對于正極材料的表面以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在一定影響:添加CaCl2后的材料表面更加粗糙,而且內(nèi)部存在鈣鹽顆粒,這樣的結(jié)構(gòu)更有助于電荷積累,以便TENG有更高的輸出電壓;添加CaCl2可以有效改善TENG的抗壓性,解決空白組出現(xiàn)的塑性變形問題;添加適量CaCl2可以有效改善TENG的輸出電壓,當CaCl2添加量為0.1%時達到最高的輸出電壓24 V,但隨著鈣離子的繼續(xù)添加,電壓會下降。綜合TENG的測試結(jié)果,當CaCl2的添加量在0.1%至0.3%之間時可以兼顧壓縮性能和發(fā)電性能。

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