本发明属于功能性复合织物及其制备和应用领域，特别涉及一种沉积纳米碳材料的复合间隔织物及其制备和应用。
背景技术：
可穿戴电子设备的快速兴起使得对柔性、轻质储能器件的需求日益增长。在储能器件中，超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、环境友好等优点，引起了人们的广泛关注并为此展开一系列研究工作。但是传统的超级电容器都是刚性的，没有柔性，无法成为可穿戴电子设备的储能器件。为了解决上述问题，研究者们开发了柔性超级电容器。
织物具有柔性、轻质等特点，若把超级电容器做成织物状，就能够满足器件柔性和可穿戴的需求。目前织物状超级电容器由两个织物状电极以及隔膜/电解液组件构成。其中织物状电极为沉积有电化学活性材料的织物，比如沉积聚乙烯二氧噻吩的涤纶织物(adv.mater.technol.,2016,1,1600009)，沉积碳纳米管的棉织物(cellulose,2017,24,1121)，沉积二氧化锰的碳织物(chem.eng.j.,2017,309,151)，沉积石墨烯/聚苯胺的无纺布(nanoscale,2015,7,7318)等。隔膜/电解液组件有滤纸/硫酸钠溶液(adv.mater.,2012,24,3246)，未沉积活性材料的织物/硫酸溶液(carbon,2014,73,87)，玻璃纤维隔膜/氢氧化钾溶液(acsnano,2013,7,5453)等。另外凝胶电解质可以直接承担隔膜/电解液组件，常用的凝胶电解质为聚乙烯醇/磷酸电解质和聚乙烯醇/硫酸电解质。但是现有的织物状超级电容器的一个主要问题是织物状电极与隔膜/电解液组件是各自独立的个体。当有外力作用下，器件发生弯曲、扭转等变形情况下，电极与隔膜/电解液组件发生分离，造成性能的裂化和不稳定，严重影响器件的使用。因此，为了克服目前织物状超级电容器在弯曲、扭转变形情况下，性能裂化和不稳定的问题，需要开发一种具有稳定结构的织物状超级电容器。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种沉积纳米碳材料的复合间隔织物及其制备和应用，本发明克服了目前织物状超级电容器在弯曲、扭转变形情况下，性能裂化和不稳定的问题，制备得到的织物状超级电容器具有稳定的结构，并且在弯曲、扭转变形情况下拥有稳定的性能，有望应用于可穿戴电子设备中。
本发明的一种沉积纳米碳材料的复合间隔织物，所述复合间隔织物由沉积纳米碳材料的基体织物上层/间隔丝中间层/沉积纳米碳材料的基体织物下层构成。
所述沉积纳米碳材料的基体织物为纳米碳材料沉积到基体织物上。
所述基体织物，其中织物材料为棉、涤纶、氨纶，织物结构包含针织、机织、无纺结构，织物厚度为0.5mm～2.0mm；纳米碳材料为石墨烯和碳纳米管。
所述间隔丝中间层，其中间隔丝为涤纶，间隔丝中间层厚度为1.0～2.5mm。
本发明的一种沉积纳米碳材料的复合间隔织物的制备方法，包括：
通过热熔粘合法将沉积纳米碳材料的基体织物与间隔丝中间层的上、下两个表面分别粘合，且分别标示为上层和下层，冷却，即得沉积纳米碳材料的复合间隔织物。
所述热熔粘合法具体为：取沉积纳米碳材料的基体织物，与间隔丝中间层、无纺衬一起放置于热熔粘合机上，其中无纺衬放置在沉积纳米碳材料的基体织物和间隔丝中间层之间，温度为80-120℃，压力为1-4kpa，将间隔丝中间层的一面与沉积纳米碳材料的基体织物粘合成为一体，间隔丝中间层的另一面与沉积纳米碳材料的基体织物的粘合按照上述相同方法得到。
所述沉积纳米碳材料的基体织物的制备为：采用浸渍-涂覆法将纳米碳材料(石墨烯和碳纳米管的混合物)沉积到基体织物上，具体为：
将基体织物清洗，再取纳米碳材料分散于十二烷基硫酸钠溶液中，超声处理得到分散液；
然后将基体织物浸入到分散液中，浸渍时间为10-20min，80℃干燥20-30min；重复5～25次得到沉积纳米碳材料的基体织物，洗涤，干燥，得到不同负载量的沉积纳米碳材料的基体织物，负载量为5-10mgcm-2。
所述纳米碳材料为质量比为1:0.2～5的石墨烯与碳纳米管；分散液中石墨烯的浓度为0.5-8mg/ml。
本发明的一种沉积纳米碳材料的复合间隔织物的应用，制备超级电容器中的应用，具体为：通过真空辅助注入法将凝胶电解质注入沉积纳米碳材料的复合间隔织物，两个沉积纳米碳材料的基体织物充当两电极，形成了超级电容器。
本发明的一种沉积纳米碳材料的复合间隔织物的应用，所述凝胶电解质组分包括：质量比为0.5-1:0.5-1:6的聚乙烯醇、磷酸和水，优选质量比为1:1:6。
所述的凝胶电解质，具体描述如下：取5-10g聚乙烯醇粉末，加入60g水，于90℃搅拌溶解，其中搅拌时间为180min。待上述溶液冷却后，逐滴加入5-10g磷酸快速搅拌均匀，其中搅拌时间为30min。
所述真空辅助注入法将凝胶电解质注入沉积纳米碳材料的复合间隔织物具体为：用针管吸取凝胶电解质，将其填充到涤纶间隔丝中间层位置，静置5-10min后，放入真空烘箱中，并在真空及室温条件下保持10-20min后取出，以上步骤重复1-3次。
有益效果
本发明提出的沉积纳米碳材料的复合间隔织物，是由沉积纳米碳材料的复合间隔织物和间隔丝中间层粘合得到的，在间隔丝层位置注入凝胶电解质，即形成织物状超级电容器。与现有的织物状超级电容器相比，由本发明提出的沉积纳米碳材料的复合间隔织物制备得到的织物状超级电容器具有稳定的结构，并且在弯曲、扭转变形情况下拥有稳定的性能，有望应用于可穿戴电子设备中。
本发明电化学测试结果表明，在电流密度为0.1ag-1时，制备得到的柔性织物状超级电容器的比电容为85-150fg-1，循环1000次后，其电容仍能保持80-85％；弯曲100次后(弯曲角度为90°)，电容保持率为89-95％。
附图说明
图1为本发明的沉积纳米碳材料的复合间隔织物示意图；
图2为实施例1中沉积石墨烯/碳纳米管的棉织物的扫描电镜图；
图3为实施例1中沉积石墨烯/碳纳米管的复合间隔织物的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
选取针织结构的棉织物，厚度为0.5mm。首先，将基体织物依次在丙酮、去离子水中清洗，去除基体织物表面的灰尘、油脂等杂质；再取200mg石墨烯和100mg碳纳米管分散于50ml十二烷基硫酸钠溶液中，用超声波细胞粉碎仪超声处理一小时得到均匀的石墨烯/碳纳米管分散液；然后将基体织物浸入到上述分散液中，每次浸渍时间为20min，随后于80℃烘箱烘30min。以上浸渍步骤重复10次获得负载量为5.5mgcm-2的沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物。
取上述沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物，与间隔丝中间层(厚度为1.5mm)、无纺衬一起放置于热熔粘合机上，其中无纺衬放置在沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物和间隔丝中间层之间，温度为100℃，压力为2kpa，将间隔丝中间层的一面与沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物粘合成为一体。间隔丝中间层的另一面与沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物的粘合按照上述相同方法得到，冷却后即获得沉积石墨烯/碳纳米管的复合间隔织物。
实施例2
选取针织结构的棉织物，厚度为1mm。首先，将基体织物依次在丙酮、去离子水中清洗，去除基体织物表面的灰尘、油脂等杂质；再取150mg石墨烯和150mg碳纳米管分散于50ml十二烷基硫酸钠溶液中，用超声波细胞粉碎仪超声处理一小时得到均匀的石墨烯/碳纳米管分散液；然后将基体织物浸入到上述分散液中，每次浸渍时间为20min，随后于80℃烘箱烘30min。以上浸渍步骤重复20次获得负载量为7.6mgcm-2的沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物。
取上述沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物，与间隔丝中间层(厚度为1.5mm)、无纺衬一起放置于热熔粘合机上，其中无纺衬放置在沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物和间隔丝中间层之间，温度为100℃，压力为2kpa，将间隔丝中间层的一面与沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物粘合成为一体。间隔丝中间层的另一面与沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物的粘合按照上述相同方法得到，冷却后即获得沉积石墨烯/碳纳米管的复合间隔织物。
实施例3
选取针织结构的棉织物，厚度为1mm。首先，将基体织物依次在丙酮、去离子水中清洗，去除基体织物表面的灰尘、油脂等杂质；再取100mg石墨烯和200mg碳纳米管分散于50ml十二烷基硫酸钠溶液中，用超声波细胞粉碎仪超声处理一小时得到均匀的石墨烯/碳纳米管分散液；然后将基体织物浸入到上述分散液中，每次浸渍时间为20min，随后于80℃烘箱烘30min。以上浸渍步骤重复25次获得负载量为8.4mgcm-2的沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物。
取上述沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物，与间隔丝中间层(厚度为1.5mm)、无纺衬一起放置于热熔粘合机上，其中无纺衬放置在沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物和间隔丝中间层之间，温度为100℃，压力为2kpa，将间隔丝中间层的一面与沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物粘合成为一体。间隔丝中间层的另一面与沉积石墨烯/碳纳米管的基体织物的粘合按照上述相同方法得到，冷却后即获得沉积石墨烯/碳纳米管的复合间隔织物。
实施例4
采用真空辅助注入法将凝胶电解质(聚乙烯醇、磷酸和水的质量比为1:1:6)注入实施例1的复合间隔织物中(用针管吸取凝胶电解质，将其填充到涤纶间隔丝中间层位置，静置10分钟后，放入真空烘箱中，并在真空及室温条件下保持20分钟后取出，以上步骤重复3次)，即形成超级电容器。
电化学测试结果表明，在电流密度为0.1ag-1时，制备得到的柔性织物状超级电容器的比电容为144.3fg-1，循环1000次后，其电容仍能保持85％；弯曲100次后(弯曲角度为90°)，电容保持率为91％。
实施例5
采用真空辅助注入法将凝胶电解质(聚乙烯醇、磷酸和水的质量比为1:1:6)注入实施例2的复合间隔织物中(用针管吸取凝胶电解质，将其填充到涤纶间隔丝中间层位置，静置10分钟后，放入真空烘箱中，并在真空及室温条件下保持20分钟后取出，以上步骤重复3次)，即形成超级电容器。
电化学测试结果表明，在电流密度为0.1ag-1时，制备得到的柔性织物状超级电容器的比电容为138.6fg-1，循环1000次后，其电容仍能保持85％；扭转100次后(弯曲角度为90°)，电容保持率为89％。
实施例6
采用真空辅助注入法将凝胶电解质(聚乙烯醇、磷酸和水的质量比为1:1:6)注入实施例3的复合间隔织物中(用针管吸取凝胶电解质，将其填充到涤纶间隔丝中间层位置，静置10分钟后，放入真空烘箱中，并在真空及室温条件下保持20分钟后取出，以上步骤重复3次)，即形成超级电容器。
电化学测试结果表明，在电流密度为0.1ag-1时，制备得到的柔性织物状超级电容器的比电容为85.6fg-1，循环1000次后，其电容仍能保持82％；弯曲200次后(弯曲角度为90°)，电容保持率为85％。