再生纤维素基介电储能材料的制备与性能研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sy_haiboo
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随着不可再生资源及能源的枯竭和环境的日益恶化,开发环境友好、可再生的生物质材料,并用其解决能源问题具有重大意义。因此,可再生的纤维素材料受到了研究者的广泛关注。本文主要以再生纤维素代替传统的石油基聚合物为基体,研究纯再生纤维素膜的介电性能,同时再分别与聚多巴胺包覆粉煤灰(FA@DA)和剥离的氮化硼纳米片(BNNS)复合,通过提高复合膜的介电常数和击穿强度来提高再生纤维素复合膜的储能密度。主要结论如下:  (1)以氢氧化钠/尿素/水体系溶解纤维素,分别利用5%硫酸水溶液、5%硫酸/5%硫酸钠水溶液、丙酮、叔丁醇作为再生浴,通过不同的干燥条件(60℃干燥,25℃干燥,25℃真空-加压干燥),制备性能不同的纯再生纤维素膜。将薄膜置于不同的湿度环境中放置72h后进行介电性能测试,实验发现无机溶液作为再生浴制备的再生纤维素膜具有较高的介电常数和较大的介电损耗,但击穿强度较小;在25℃真空-加压条件下干燥的薄膜具有较小的介电常数和介电损耗,但击穿强度得到明显提高,总体上利用丙酮和真空-加压条件制备的薄膜具有最高的储能密度,在205MVm-1的击穿强度下储能密度达到1.23J cm-3。另外,随着放置环境湿度的增大,薄膜的介电常数和介电损耗以及电导率同时大幅度增大,而击穿强度急剧下降。  (2)以粉煤灰(FA)和聚多巴胺包覆粉煤灰(FA@DA)作为填料与纤维素复合,研究了复合材料的结构和介电储能性能。扫描电镜结果显示,与没有改性的粉煤灰相比,多巴胺包覆的粉煤灰与再生纤维素具有更好的相容性,热重结果显示复合膜具有良好的热稳定性。在添加FA@DA后,复合膜的介电常数和击穿强度明显提高,在添加量为50wt%时,在100Hz下,介电常数为11.9;在添加量为40wt%时,优化制备条件击穿强度达到了330MVm-1,储能密度达到最大,为3.47Jcm-3,充放电效率为68%。  (3)直接利用氢氧化钠/尿素/水体系超声剥离六方氮化硼制备氮化硼纳米片,再在同一混合分散液中溶解纤维素制备再生纤维素/氮化硼复合薄膜(RC-BN)。扫描电镜结果表明复合膜具有规整的二维层状结构,热重结果表明复合膜具有良好的热稳定性,当BN填充量为30wt%时,导热率达到2.97W m?1K?1。介电性能测试显示,随着氮化硼的加入介电常数和介电损耗都有所下降,但击穿强度得到明显提高,在BN含量为10wt%时,击穿强度达到370MVm-1,储能密度达到4.01Jcm-3,充放电效率均大于75%。高温介电结果表明,对比于纯再生纤维素膜,RC-BN的介电性能具有优异的热稳定性。此外,RC-BN具有良好的透光性和拉伸强度以及断裂伸长率。
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