专利名称：细菌纤维素基发电纤维及纱线的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种细菌纤维素基发电纤维及纱线的制备方法，特别是一种能应用于微型、高性能电子器械与传感器的自发电源的细菌纤维素基发电纤维及纱线的制备方法。
背景技术：
随着经济社会的发展，电已经是社会中不可或缺的一部分。我国的电力现状是都市缺电，偏远无电，春秋谷，冬夏峰。虽然国家开启了西电东送的工程，但是长距离输电的电力损失和高昂的线路铺设费用则使电力的成本不降反升。中国电力企业联合会发布的数据显示，2011年我国用电量达4. 69万亿千瓦时，同比增长11. 7%。2010年电力供需最大缺口为3000万千瓦；迎峰度夏期间最大缺口为2500万千瓦。目前，发电量远不能满足经济增长的需求。然而发电装机容量还在逐年减少，2011年全国新增发电装机容量超过了 9000·万千瓦，但实际上有效增加的规模是减少的。火电是我国发电主力，然而火电连年亏损使电企失去投资动力和能力，火电投资持续快速下降，由2005年的2271亿元快速减少到2011年的1054亿元。气候的变化导致出现极寒、极热的天气及电煤价格持续高位运行也加剧了用电的紧张。因此，今后几年电力缺口肯定将继续扩大，预计2012年将达到5000万千瓦。电能供应不足而造成的“硬缺电”现象在所难免。再者偏远地区由于地形和资金，很多地方供电受限制甚至还没有通电。军事作战，远足时交流、交通等因为所携带电量有限且不能维持长久，对于人烟稀少的区域，电力设备的供应也是个问题，目前的大型发电装置都比较复杂且耗能多，小型发电装置的制造、回收不当都会对环境造成很大危害。因此，我们现在的技术需要，即发电自发电，以提高电力使用效率，减少电力输送环节，降低成本，从生活中即时获得我们所需要的电能。微电子与微制造技术的发展使无线传感网和微执行器等微系统广泛应用于环境监测、体内植入生物芯片、汽车、建筑、军事的等重要领域。随着研究的深入，微机电系统的对功能的追求越来越强，对功耗的要求越来越低，而对体积和尺寸则进入了纳米尺度的研究。纳米技术作为21世纪的重要的新兴科学技术领域，在理论和实践上正经历着高速发展。大量的新型纳米器件和材料不断被开发，为人们的生活带来更多的便利。同时，也从微电子技术研究层面为我们带来了解决能源危机的清洁技术。然而纳米技术发展到今日，大量研究都是集中于开发高灵敏度、高性能的纳米器件，几乎没有任何关于纳米尺度的电源系统的研究。但是，应用于生物国防等方面的纳米传感器对这种电源的需求因为技术的提升而越发迫切。一般来说这些器件的电源都是直接或者间接的来源于电池。传感器能从物体内自己给自己提供电源，从而同时实现器件和电源的小型化是研究人员近年来研究的目标。自从居里兄弟在石英晶体中发现压电效应开始，人们便一直致力于将机械能转化为电能的研究。常规压电材料因为其电学性能，虽然可以形成电势变化，但并不能像金属一样形成具有单向导电性的肖特基势垒，因而不能达到能量的聚集到释放这一过程。因而现在压电电路一般需要一个复杂的外接电路来完成电能的输出。而常规压电材料因为晶体结构过于复杂而造成压电结构并不能做到小型化，更不用说纳米尺度的高质量压电结构。但是当氧化锌和氧化硅等金属氧化物进入压电纤维的研究范畴后，其简单的化学成分和晶体结构造就出其纯度、尺寸、形貌的易控性。其作为金属氧化物的导电性和作为压电材料优异的发电性能，迅速成为当今压电材料研究的重要材料。2006年美国佐治亚理工学院华裔科学家王中林领导的科研小组研制出一种能产生电能的新型镀氧化锌纳米纤维，并在马达带动由于压电效应产生电能；2011年美国和中国的科学家合作研究出了以氧化锌纳米线为基础的一种压电纳米发电机，实现了在纳米尺度上把机械能转化为电能。不过现在的材料因为其总体工作效率的平庸和在潮湿环境下效率的急剧降低，并不能很好地投入使用。
发明内容
本发明的目是提供一种细菌纤维素基发电纤维及纱线的制备方法。本发明所制 备的纳米细菌纤维素基发电纤维及纱线可以应用到环境监测、体内植入生物芯片、汽车、建筑、军事的等重要需要微型器件与其相对应的微型自发电源的领域。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下
本发明的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，包括如下步骤
(1)将漂白处理后的细菌纤维素湿膜置于一对握持罗拉之间，按照10mnTlOO m/分钟的速度喂入；
(2)从罗拉之间输出的纤维素膜经刺辊表面针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维；将细菌纤维素纤维经压滤机压滤处理，制备出细菌纤维素超细纤维条；取出后冷冻干燥，待用；
(3)将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用；
(4)将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C，取出后冷冻干燥，然后60-100°C热环境中放置，制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。步骤(I)中所使用的握持罗拉的直径为2(T3000mm，优选为3(T300mm。步骤(2)中经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在159^50000%之间，超细纤维的直径在l(T500nm，超细纤维长度在200nnT200mm之间。步骤(2)中经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率优选在309^5000%之间，超细纤维的直径优选在3(T300nm，超细纤维长度优选在500nnTl00mm之间。步骤(4)中所述的胺盐溶液为六亚甲基四胺、尿素、氨水、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺溶液的一种或他们的混合物，溶液中胺离子浓度为O. 01mol/L，细菌纤维素B和所放入的胺盐溶液的质量比为1:1-1:10，反应温度2(Tl00°C，反应时间为2 2小时。采用本发明所述的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到本发明的细菌纤维素基发电纱线。采用本发明的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到纱线。本发明所制成的成品为细菌纤维素基发电纤维及纱线，可通过现有的纺织织造技术进行深入加工。可以形成不同规模尺度的机械发电组件，广泛应用于环境监测、体内植入生物芯片、汽车、建筑、军事的等对自发电组件有着不同尺寸功率要求的领域。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。实施例I
本实施例的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，包括如下步骤
(I)将漂白处理后的细菌纤维素湿膜置于一对握持罗拉之间，按照10 mnTlOO m/分钟的速度喂入；所使用的握持罗拉的直径为2(T3000mm。(2)从罗拉之间输出的纤维素膜经刺辊表面针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维；将细菌纤维素纤维经压滤机压滤处理，制备出细菌·纤维素超细纤维条；取出后冷冻干燥，待用；经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在15% 50000%之间，超细纤维的直径在l(T500nm，超细纤维长度在200nnT200mm之间。(3)将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用；
(4)将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C，取出后冷冻干燥，然后60-100°C热环境中放置，制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。步骤(4)中所述的胺盐溶液为六亚甲基四胺、尿素、氨水、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺溶液的一种或他们的混合物，溶液中胺离子浓度为O. 01mol/L，细菌纤维素B和所放入的胺盐溶液的质量比为1:1-1:10，反应温度2(Tl00°C，反应时间为I 1小时。采用得到的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到本发明的细菌纤维素基发电纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到28nA的电流输出信号。实施例2
本实施例的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，包括如下步骤
(I)将漂白处理后的细菌纤维素湿膜置于一对握持罗拉之间，按照10 mnTlOO m/分钟的速度喂入；所使用的握持罗拉的直径为为3(T300mm。(2)从罗拉之间输出的纤维素膜经刺辊表面针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维；将细菌纤维素纤维经压滤机压滤处理，制备出细菌纤维素超细纤维条；取出后冷冻干燥，待用；经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在30°/Γ5000%之间，超细纤维的直径在3(T300nm，超细纤维长度在500nnTl00mm之间。(3)将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用；
(4)将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C，取出后冷冻干燥，然后60-100°C热环境中放置，制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。步骤(4)中所述的胺盐溶液为六亚甲基四胺、尿素、氨水、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺溶液的一种或他们的混合物，溶液中胺离子浓度为0. 01mol/L，细菌纤维素B和所放入的胺盐溶液的质量比为1:1-1:10，反应温度2(Tl00°C，反应时间为I 1小时。采用得到的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到本发明的细菌纤维素基发电纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到30nA的电流输出信号。
实施例3
本实施例的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，包括如下步骤
(I)将漂白处理后的细菌纤维素湿膜置于一对握持罗拉之间，按照IOmm /分钟的速度喂入；所使用的握持罗拉的直径为20mm。(2)从罗拉之间输出的纤维素膜经刺辊表面针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维；将细菌纤维素纤维经压滤机压滤处理，制备出细菌纤维素超细纤维条；取出后冷冻干燥，待用；经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在15%之间，超细纤维的直径在10nm，超细纤维长度在200nm之间。(3)将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用；
(4)将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C，取出后冷冻干·燥，然后60°C热环境中放置，制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。步骤(4)中所述的胺盐溶液为六亚甲基四胺溶液，溶液中胺离子浓度为O. Olmol/L，细菌纤维素B和所放入的胺盐溶液的质量比为1:1，反应温度20°C，反应时间为72小时。采用得到的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到本发明的细菌纤维素基发电纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到32nA的电流输出信号。实施例4
本实施例的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，包括如下步骤
(I)将漂白处理后的细菌纤维素湿膜置于一对握持罗拉之间，按照10 mnTlOO m/分钟的速度喂入；所使用的握持罗拉的直径为3000_。(2)从罗拉之间输出的纤维素膜经刺辊表面针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维；将细菌纤维素纤维经压滤机压滤处理，制备出细菌纤维素超细纤维条；取出后冷冻干燥，待用；经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在50000%之间。(3)将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用；
(4)将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C，取出后冷冻干燥，然后100°C热环境中放置，制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。步骤(4)中所述的胺盐溶液为六亚甲基四胺、尿素、氨水、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺溶液的一种或他们的混合物，溶液中胺离子浓度为O. OI mo I / L，细菌纤维素B和所放入的胺盐溶液的质量比为1:10，反应温度100°C，反应时间为2小时。采用得到的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到本发明的细菌纤维素基发电纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到26nA的电流输出信号。实施例5
本实施例的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，包括如下步骤
(I)将漂白处理后的细菌纤维素湿膜置于一对握持罗拉之间，按照10 mnTlOO m/分钟的速度喂入；所使用的握持罗拉的直径为30_。(2)从罗拉之间输出的纤维素膜经刺辊表面针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维；将细菌纤维素纤维经压滤机压滤处理，制备出细菌纤维素超细纤维条；取出后冷冻干燥，待用；经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在30%之间，超细纤维的直径在30，超细纤维长度在500nm之间。(3)将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用；
(4)将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C，取出后冷冻干燥，然后70°C热环境中放置，制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。所述的胺盐溶液为尿素、氨水、乙醇胺溶液的混合溶液，溶液中胺离子浓度为O. Olmol/L，细菌纤维素B和所放入的胺盐溶液的质量比为1:3，反应温度40°C，反应时间为26小时。采用得到的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到本发明的细菌纤维素基发电纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到31nA的电流输出信号。实施例6
本实施例的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，包括如下步骤
(I)将漂白处理后的细菌纤维素湿膜置于一对握持罗拉之间，按照10 mnTlOO m/分钟的速度喂入；所使用的握持罗拉的直径为300_。(2)从罗拉之间输出的纤维素膜经刺辊表面针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维；将细菌纤维素纤维经压滤机压滤处理，制备出细菌纤维素超细纤维条；取出后冷冻干燥，待用；经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在5000%之间，超细纤维的直径在300nm，超细纤维长度在IOOmm之间。(3)将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用；
(4)将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C，取出后冷冻干燥，然后90°C热环境中放置，制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。所述的胺盐溶液为三乙醇胺溶液，溶液中胺离子浓度为O. Olmol/L，细菌纤维素B和所放入的胺盐溶液的质量比为1:8，反应温度30°C，反应时间为58小时。采用得到的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到本发明的细菌纤维素基发电纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到31nA的电流输出信号。实施例7
本实施例的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，包括如下步骤
(I)将漂白处理后的细菌纤维素湿膜置于一对握持罗拉之间，按照20 m/分钟的速度喂入；所使用的握持罗拉的直径为100_。(2)从罗拉之间输出的纤维素膜经刺辊表面针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维；将细菌纤维素纤维经压滤机压滤处理，制备出细菌纤维素超细纤维条；取出后冷冻干燥，待用；经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在1000%之间，超细纤维的直径在lOOnm，超细纤维长度在20mm之间。(3)将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用；
(4)将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C，取出后冷冻干燥，然后80°C热环境中放置，制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。步骤(4)中所述的胺盐溶液为六亚甲基四胺、尿素、氨水、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺溶液的一种或他们的混合物，溶液中胺离子浓度为O. Olmol/L，细菌纤维素B和所放入的胺盐溶液的质量比为1:7，反应温度80°C，反应时间为12小时。采用得到的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到本发明的细菌纤维素基发电纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到31nA的电流输出信号。实施例8
本实施例的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，包括如下步骤
(I)将漂白处理后的细菌纤维素湿膜置于一对握持罗拉之间，按照IOm/分钟的速度喂入；所使用的握持罗拉的直径为120mm。(2)从罗拉之间输出的纤维素膜经刺辊表面针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维；将细菌纤维素纤维经压滤机压滤处理，制备出细菌·纤维素超细纤维条；取出后冷冻干燥，待用；经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在600%之间，超细纤维的直径在240nm，超细纤维长度在30mm之间。(3)将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用；
(4)将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C，取出后冷冻干燥，然后85°C热环境中放置，制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。所述的胺盐溶液为乙醇胺溶液，溶液中胺离子浓度为O. Olmol/L，细菌纤维素B和所放入的胺盐溶液的质量比为1:5，反应温度85°C，反应时间为15小时。采用得到的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到本发明的细菌纤维素基发电纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到31nA的电流输出信号。实施例9
将漂白后的细菌纤维素，按照IOmm的速度喂入一对直径为20mm的握持罗拉之间。然后经过经针状、超硬、弹性不锈钢丝或合金丝抛光轮等构成的针刺辊表面针状梳理针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维。经过处理后的细菌纤维素超级纤维含水率为3%，直径为400nm，长度为150mm。然后将细菌纤维素超级纤维真空蒸镀金属锌，形成细菌纤维素纤维B。将细菌纤维素B按照1:1的质量比放入80摄氏度恒温的胺盐溶液中，反应36小时后形成细菌纤维素纤维C。可获得细菌纤维素基发电纤维及纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到32nA的电流输出信号。实施例10
将漂白后的细菌纤维素，按照30mm的速度喂入一对直径为50mm的握持罗拉之间。然后经过经针状、超硬、弹性不锈钢丝或合金丝抛光轮等构成的针刺辊表面针状梳理针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维。经过处理后的细菌纤维素超级纤维含水率为2%,直径为320nm,长度为150mm。然后将细菌纤维素超级纤维真空溅射金属锌，形成细菌纤维素纤维B。将细菌纤维素B按照1:1的质量比放入85摄氏度恒温的胺盐溶液中，反应48小时后形成细菌纤维素纤维C。获得细菌纤维素基发电纤维及纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到30nA的电流输出信号。实施例11将漂白后的细菌纤维素，按照50mm的速度喂入一对直径为80mm的握持罗拉之间。然后经过经针状、超硬、弹性不锈钢丝或合金丝抛光轮等构成的针刺辊表面针状梳理针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维。经过处理后的细菌纤维素超级纤维含水率为3%,直径为250nm,长度为150mm。然后将细菌纤维素超级纤维真空磁控溅射金属锌，形成细菌纤维素纤维B。将细菌纤维素B按照1:1的质量比放入90摄氏度恒温的胺盐溶液中，反应60小时后形成细菌纤维素纤维C。获得细菌纤维素基发电纤维及纱线。一段10厘米长的纱线在超声波震荡处理情况下，经检流计检测到28nA的电流输出信号。·
权利要求
1.一种细菌纤维素基发电纤维的制备方法，其特种在于，包括如下步骤 (1)将漂白处理后的细菌纤维素湿膜置于一对握持罗拉之间，按照10mnTlOO m/分钟的速度喂入； (2)从罗拉之间输出的纤维素膜经刺辊表面针刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，将细菌纤维素湿膜变成细菌纤维素纤维；将细菌纤维素纤维经压滤机压滤处理，制备出细菌纤维素超细纤维条；取出后冷冻干燥，待用； (3)将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用； (4)将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C，取出后冷冻干燥，然后60-100°C热环境中放置，制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。
2.根据权利要求I所述的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，其特种在于步骤(I)中所使用的握持罗拉的直径为2(T3000mm。
3.根据权利要求I所述的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，其特种在于步骤(I)中所使用的握持罗拉的直径为3(T300mm。
4.根据权利要求I所述的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，其特种在于步骤(2)中经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在15°/Γ50000%之间，超细纤维的直径在l(T500nm，超细纤维长度在200nnT200mm之间。
5.根据权利要求5所述的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，其特种在于步骤(2)中经过压滤处理的细菌纤维素超级纤维的含水率在30°/Γ5000%之间，超细纤维的直径在30 300nm,超细纤维长度在500nm^1 OOmm之间。
6.根据权利要求I所述的细菌纤维素基发电纤维的制备方法，其特种在于步骤(4)中所述的胺盐溶液为六亚甲基四胺、尿素、氨水、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺溶液的一种或他们的混合物，溶液中胺离子浓度为O. 01mol/L，细菌纤维素B和所放入的胺盐溶液的质量比为1:1-1:10，反应温度2(Tl00°C，反应时间为2 72小时。
7.—种细菌纤维素基发电纱线的制备方法，其特征在于采用权利要求I所述的细菌纤维素基发电纤维纺纱得到纱线。
全文摘要
一种细菌纤维素基发电纤维的制备方法，将细菌纤维素超细纤维条进行金属锌真空溅射或蒸镀处理，得到细菌纤维素B，取出待用；将细菌纤维素B放入胺盐溶液，反应一段时间，形成细菌纤维素C,制备出具有发电性能的细菌纤维素纤维。本发明方法所制成的成品为细菌纤维素基发电纤维及纱线，可通过现有的纺织织造技术进行深入加工。形成不同规模尺度的机械发电组件，广泛应用于环境监测、体内植入生物芯片、汽车、建筑、军事的等对自发电组件有着不同尺寸功率要求的领域。
文档编号D01F2/00GK102899889SQ20121041279
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者张迎晨, 吴红艳 申请人:中原工学院