本发明纳米摩擦发电传感技术、膜材料制造领域，具体为一种高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料及其制备方法。
背景技术：
1、随着科技对可持续能源与高效传感器需求的激增，摩擦纳米发电作为一种新型的能量转换技术，通过利用两种不同材料之间接触分离或滑动时产生的摩擦电荷效应来收集机械能并转换为电能，展现出了巨大的应用潜力。与传统能源转换方式相比，teng具有高电压低电流、结构简单、成本低廉、环境友好以及能够将日常生活中的微小机械能转换为电能等优点，为物联网、可穿戴设备、环境监测等领域提供了新的能源解决方案。
2、然而，传统材料在力学强度、摩擦性能及电荷保持上的不足限制了其应用潜力。例如在高强度或频繁的机械应力下，许多传统材料容易发生疲劳断裂或形变，导致发电效率下降甚至设备损坏。理想的teng材料应具有高摩擦系数以产生更多电荷，同时还应具备良好的耐磨性以延长使用寿命。
3、羟乙基纤维素(hec)因生物相容性佳、加工性强及成膜性能优异，成为高性能teng薄膜的潜力材料，能提升摩擦起电性能与耐用性。聚偏二氟乙烯(pvdf)作为电荷保留相，高介电常数与压电效应显著，增强teng电荷存储与电输出性能，同时绝缘性减少电荷泄露，提升转换效率。
4、本发明创新融合hec与pvdf优势，设计三层结构传感材料：hec薄膜为上下层，pvdf薄膜为中间层，形成三维插层结构。此设计不仅发挥hec摩擦起电与pvdf高介电特性，还通过多层复合增强机械与电学性能，为高性能teng器件制备开辟新途径。
技术实现思路
1、针对传统材料在力学强度、摩擦性能及电荷保持上不足的问题，本发明提供一种高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法。
2、本发明是通过以下技术方案来实现：
3、一种高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料，包括三层结构，由上至下分别为上层羟乙基纤维素薄膜、聚偏二氟乙烯薄膜和下层羟乙基纤维素薄膜。
4、一种高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法，包括以下步骤：
5、步骤1，制备羟乙基纤维素和芳纶纳米纤维混合分散液和含有聚偏二氟乙烯的纺丝液；
6、步骤2，羟乙基纤维素和芳纶纳米纤维混合分散液采用流延法结合干燥的方式获得下层羟乙基纤维素薄膜；
7、含有聚偏二氟乙烯的纺丝液通过静电纺丝纺织获得聚偏二氟乙烯薄膜；
8、步骤3，将聚偏二氟乙烯薄膜置于经干燥后的下层羟乙基纤维素薄膜的上表面；然后，在聚偏二氟乙烯薄膜的上表面，将羟乙基纤维素和芳纶纳米纤维混合分散液采用流延法制备湿的上层羟乙基纤维素薄膜；之后经干燥处理获得三维插层的hec-pvdf-hec高摩擦电压传感材料。
9、优选的，步骤1中，羟乙基纤维素和芳纶纳米纤维混合分散液的制备方法具体如下：在45～55℃下，将2～3g羟乙基纤维素粉末在200～300ml芳纶纳米纤维分散液中溶解20～30min，得到羟乙基纤维素和芳纶纳米纤维混合分散液；其中，羟乙基纤维素的粘度是2600～3300mpa.s，羟乙基纤维素分散液的浓度为0.010～0.015g/ml。
10、优选的，芳纶纳米纤维混合分散液的制备如下：首先将碱性溶液、对位芳纶纤维和二甲基亚砜搅拌混合得到分散液a；其中，对位芳纶纤维和二甲基亚砜的质量比为2～3：200～300，碱液的溶质为氢氧化钾，碱性溶液中溶质的浓度为0.3～0.6g/ml，碱性溶液和对位芳纶纤维的比例为1～2ml：2～3g；
11、将分散液a均匀分散至去离子水中，然后静置过滤得到对位芳纶纳米纤维分散液b；其中，水和分散液a的体积比为1000～1500:50～100，对位芳纶纳米纤维分散液的浓度为1％～1.5％。
12、优选的，步骤1中，含有聚偏二氟乙烯的纺丝液的制备如下：将聚偏二氟乙烯溶解于n，n-二甲基甲酰胺溶液中即可获得纺丝液。
13、优选的，聚偏二氟乙烯和n，n-二甲基甲酰胺溶液的配比为4～5g：7～9ml，溶解温度为60～70℃，转速为100～200r/min，时间为2～3h。
14、优选的，步骤2中，制备下层羟乙基纤维素薄膜过程中，干燥时的温度为60～70℃，时间为10～12h，干燥后下层羟乙基纤维素薄膜的成膜厚度为0.06～0.08mm。
15、优选的，步骤2中，静电纺丝过程中，电压为15～17kv，温度为35～45℃，湿度为65％～75％，纺丝液喷丝速率为0.008～0.010ml/min，时间为6～8h。
16、优选的，步骤3中，干燥处理时，温度为60～70℃，时间为10～12h，干燥后上层羟乙基纤维素薄膜的成膜厚度为0.06～0.08mm。
17、一种由所述的高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备的栅状结构摩擦纳米发电器件。
18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19、首先，本发明一种高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料采用相位定向组装策略制备，通过精心设计的三维插层(hec-pvdf-hec)将宽带隙电荷保留相聚偏二氟乙烯静电纺丝薄膜引入摩擦相羟乙基纤维素薄膜中。该三维插层(hec-pvdf-hec)结构通过两层羟乙基纤维素薄膜(hec)夹持一层聚偏二氟乙烯薄膜(pvdf)，实现了静电耦合与电荷储存的有机结合，其中，hec层提供了良好的静电耦合感应和摩擦发电能力，pvdf层则作为电荷保留相，有效提升了电荷的积累与传输效率。这种结构设计不仅增强了材料的结构稳定性，还优化了电荷传输与保留路径，显著提升了纳米摩擦发电的效率与稳定性，还提高了纳米摩擦发电机的输出稳定性和灵敏度。
20、其次，本发明经过长期实验，优选羟乙基纤维素(hec)作为接触摩擦层，其优势在于(1)良好的溶解性和非离子性：hec能够水系溶剂中溶解和分散，且成本低来源广，便于规模化加工生产与应用；(2)羟乙基纤维素(hec)由纤维素主链和羟乙基侧链结构组成，通过纤维素与环氧乙烷(或氯乙醇)经过醚化反应制得的水溶性高分子化合物，表面富含羟基，羟基有助于静电耦合感应中吸引电荷转移，具有制备高摩擦电压正极材料的先天优势；(3)hec具备良好的生物相容性和可降解性，可降解，可再生，绿色环保，这使得基于hec的纳米摩擦发电传感材料在生物医学领域，如可穿戴医疗设备中，具有潜在的应用优势。
21、紧接着，利用聚偏二氟乙烯(pvdf)制备纳米摩擦发电传感的正极材料，在电荷保留相方面其优势在于(1)pvdf独特的分子结构和偶极子排列，使得pvdf在受到外力作用时能够产生更强的电信号，能更有效地将机械能转换为电能，并在摩擦过程中产生和保留更多的电荷；(2)pvdf分子链中的氟原子具有强大的电负性，与碳原子形成的c-f键具有高度的稳定性和极性。这种极性使得pvdf分子在受到外力作用时能够产生偶极子，并在材料内部形成稳定的电场，有助于电荷的积累和稳定。(3)pvdf能够抵抗多种环境因素(如湿度、温度、酸碱等)的侵蚀，使得pvdf基正极材料在恶劣环境下仍能保持稳定的电荷保留性能，延长纳米摩擦发电传感器的使用寿命。
22、进一步的，引入芳纶纳米纤维制备纳米摩擦发电传感的正极材料，其优势在于(1)优异的力学性能：芳纶纳米纤维因苯环和酰胺基组成的大分子链呈现线性刚性伸直链构型，在纤维受理时不易变形，而具有高强度、高模量的特点，与hec结合形成复合薄膜，通过应力传递，提升材料的整体力学性能与摩擦性能；(2)芳纶纳米纤维具有耐高温、耐腐蚀等特点，在较宽的温度范围和恶劣的化学环境下保持稳定的摩擦发电性能。(3)芳纶纳米纤维可以与多种基体材料形成良好的界面结合，有助于减少电荷在界面处的泄露和损失，提升正极材料的摩擦发电和电荷保留性能。
23、进一步的，本发明一种高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法通过溶解共混的方式在hec基体中引入芳纶纳米纤维，显著提升了复合材料的强度和韧性。同时，纳米纤维的加入还增加了材料的比表面积，有利于摩擦电荷的生成与转移，进一步提高了摩擦纳米发电机的输出性能。
24、进一步的，本发明采用流延法制备hec薄膜，工艺精确控制干燥温度和时间，具有可规模化方大的优势。同时，在制备pvdf薄膜时，本发明采用静电纺丝技术，优化了纺丝液配比、纺丝电压、滚筒旋转速度等参数，制备的pvdf薄膜具有宽带隙和高比表面积的优势，为制备高性能的纳米摩擦发电传感正极材料提供了有力保障。
1.一种高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料，其特征在于，包括三层结构，由上至下分别为上层羟乙基纤维素薄膜、聚偏二氟乙烯薄膜和下层羟乙基纤维素薄膜。
2.一种高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法，其特征在于，步骤1中，羟乙基纤维素和芳纶纳米纤维混合分散液的制备方法具体如下：在45～55℃下，将2～3g羟乙基纤维素粉末在200～300ml芳纶纳米纤维分散液中溶解20～30min，得到羟乙基纤维素和芳纶纳米纤维混合分散液；其中，羟乙基纤维素的粘度是2600～3300mpa.s，羟乙基纤维素分散液的浓度为0.010～0.015g/ml。
4.根据权利要求3所述的高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法，其特征在于，芳纶纳米纤维混合分散液的制备如下：首先将碱性溶液、对位芳纶纤维和二甲基亚砜搅拌混合得到分散液a；其中，对位芳纶纤维和二甲基亚砜的质量比为2～3：200～300，碱液的溶质为氢氧化钾，碱性溶液中溶质的浓度为0.3～0.6g/ml，碱性溶液和对位芳纶纤维的比例为1～2ml：2～3g；
5.根据权利要求2所述的高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法，其特征在于，步骤1中，含有聚偏二氟乙烯的纺丝液的制备如下：将聚偏二氟乙烯溶解于n，n-二甲基甲酰胺溶液中即可获得纺丝液。
6.根据权利要求5所述的高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法，其特征在于，聚偏二氟乙烯和n，n-二甲基甲酰胺溶液的配比为4～5g：7～9ml，溶解温度为60～70℃，转速为100～200r/min，时间为2～3h。
7.根据权利要求2所述的高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法，其特征在于，步骤2中，制备下层羟乙基纤维素薄膜过程中，干燥时的温度为60～70℃，时间为10～12h，干燥后下层羟乙基纤维素薄膜的成膜厚度为0.06～0.08mm。
8.根据权利要求2所述的高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法，其特征在于，步骤2中，静电纺丝过程中，电压为15～17kv，温度为35～45℃，湿度为65％～75％，纺丝液喷丝速率为0.008～0.010ml/min，时间为6～8h。
9.根据权利要求2所述的高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备方法，其特征在于，步骤3中，干燥处理时，温度为60～70℃，时间为10～12h，干燥后上层羟乙基纤维素薄膜的成膜厚度为0.06～0.08mm。
10.一种由权利要求1所述的高摩擦电压羟乙基纤维素传感材料制备的栅状结构摩擦纳米发电器件。
