本发明属于复合材料，具体涉及一种纤维素/铌酸钠纳米颗粒介电复合膜及其制备方法。
背景技术：
1、介电电容器作为最基本的无源元件之一，几乎存在于各种电子电路中。而高性能介电材料是介电电容器的重要组成部分，是发展柔性电子产品的基础和关键。相比于无机陶瓷类介电材料，聚合物基电介质材料具有柔性好、易加工、质量轻等特点而受到世界各国学者的关注和研究。然而，使用不可再生资源制备的难降解合成高分子材料不仅加重资源的消耗，而且材料难以降解也会对环境造成污染。因此环境友好型的清洁能源以及可降解再生的天然高分子材料越来越受到国内外学者的关注。纤维素作为地球上含量最多的天然可再生材料之一，因为其可再生、低成本、环境友好等优点，早已应用于生活中的各个方面。而随着对纤维素的进一步研究，纤维素在储能等领域也受到了极大的关注。
2、目前，用于介电材料提高介电性能的填料主要是陶瓷颗粒。铌酸钠具有典型的钙钛矿结构，是一种重要的功能材料，在电学、光学和光催化领域具有重要的应用。特别地，铌酸钠基功能陶瓷因具有较高的居里温度和良好的电学性能，被视为一种最具前景的环境友好型功能材料。将纤维素和铌酸钠纳米颗粒复合能够综合二者的优点，制备的纤维素/铌酸钠纳米颗粒介电复合膜，不仅具备良好的介电性能，同时具有良好的热稳定性以及机械强度。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本发明公开了一种可再生、力学性能好、具有高介电性能的纤维素/铌酸钠纳米颗粒介电复合膜及其制备方法。
2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
3、本发明提供一种纤维素/铌酸钠纳米颗粒介电复合膜，所述复合膜由尿素/氢氧化钠水溶液溶解的纤维素与铌酸钠纳米复合后再在再生浴中制膜得到。
4、本发明进一步改进在于：所述铌酸钠为纳米颗粒，并且具有较好的介电性能，所制得的复合膜具有高介电常数。
5、本发明还提供上述纤维素/铌酸钠纳米颗粒复合膜的制备方法，其步骤如下：
6、步骤1：配制纤维素溶剂：将氢氧化钠、尿素、去离子水按比例混合，配制氢氧化钠/尿素水溶液；
7、步骤2：制备铌酸钠纳米颗粒分散液：在步骤1所配好的纤维素溶剂中按铌酸钠：纤维素体积比0:10～2:8加入定量铌酸钠纳米颗粒，将所得混合液分散，制得铌酸钠纳米颗粒分散液。
8、步骤3：制备纤维素/铌酸钠纳米颗粒复合溶液：将步骤2所制得的分散液降温至0°以下，加入纤维素，快速搅拌，离心，得到纤维素/铌酸钠复合溶液。
9、步骤4将步骤3所配制的混合液按一定厚度铺散在玻璃板上，浸泡在5%硫酸溶液中再生，得到水凝胶，然后用水冲洗浸泡，固定在板子上，室温下干燥，得到纤维素/铌酸钠纳米颗粒复合膜。
10、按上述方案，步骤1：所述氢氧化钠、尿素、去离子水质量比为7:12:81。
11、按上述方案，步骤2：所述分散的方式为机械搅拌和超声处理。
12、 按上述方案，步骤3：所述特定温度在-14 ℃～-10 ℃。
13、按上述方案，步骤3：所用纤维素为棉短绒。
14、 按上述方案，步骤3：所述搅拌速度为1600～1800 rpm。
15、氢氧化钠/尿素水溶液溶解的棉短绒纤维素通过再生之后，纤维素晶型从i变成ii，力学性能和热稳定得到提高。铌酸钠通过机械搅拌和超声分散，与纤维素形成纳米复合结构，能够有效提高复合膜的介电常数和击穿强度，从而提高材料的储能密度。
16、本发明的有益效果在于：
17、1、本发明以尿素/氢氧化钠溶解棉短绒纤维素及铌酸钠纳米颗粒为原料，尿素/氢氧化钠水溶液体系中氢氧化钠用来分散纤维素链，尿素用来包裹纤维素链，使纤维素能在低温下较好的分散溶解在该体系中，具有低污染、低能耗、操作方便高效等特点，整个工艺对设备要求不高，有利于工业化生产。
18、 2、用机械搅拌和超声分散使铌酸钠纳米颗粒有效的分散在体系中，与纤维素较好的复合，所得复合材料具有均一的结构，高的介电性能。另外，复合膜还具有良好的光学性能和机械强度，并且厚度可调，该复合膜将在介电储能材料等领域具有广泛的应用前景。
19、实施方式
20、 下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
21、实施例1
22、制备纤维素/铌酸钠纳米颗粒复合膜，步骤如下：
23、1）配制铌酸钠分散液：取12 g尿素，7 g氢氧化钠，81 g去离子水混合，加入0.90 g铌酸钠纳米颗粒，超声分散2 min，使得铌酸钠纳米颗粒能完全分散，制得铌酸钠纳米颗粒分散液；
24、2）配制纤维素/铌酸钠混合液：将铌酸钠分散液降温至-12 ℃，加入4 g纤维素，以1600 rpm/min 的转速快速搅拌，再以5000 rpm/min的转速离心，得到纤维素/铌酸钠混合液；
25、3）制水凝胶：将得到的纤维素/铌酸钠混合液铺散在玻璃板上，使之形成特定厚度，再浸泡在5%硫酸溶液中再生5 min，制得纤维素/铌酸钠水凝胶；
26、4）制膜：将上述水凝胶固定在pmma板上，在室温下干燥24 h，得到纤维素与铌酸钠体积比为5：95的纤维素/铌酸钠复合膜。
27、 利用e4980a安捷伦仪和609b铁电仪对本实施例所得纤维素膜的介电性能进行测试。测试结果表明，复合膜相比纯纤维素膜介电性能得到了极大的提高，在103 hz的频率下，介电常数从8.5提高到9.1，击穿强度从100 mvm-1增加到了200 mvm-1，但储能密度从0.75 jcm-1提高至1.71 jcm-1。在低比例铌酸钠时，纳米铌酸钠颗粒起到了了散射点和捕捉陷阱的作用，极大限度的限制了电子的迁移，击穿强度提高，和提高的介电常数一起贡献增大的储能密度。
28、实施例2
29、制备纤维素/铌酸钠纳米颗粒复合膜，步骤如下：
30、1）配制铌酸钠分散液：取12 g尿素，7 g氢氧化钠，81 g去离子水混合，加入1.91 g铌酸钠纳米颗粒，超声分散3 min，使得铌酸钠纳米颗粒能完全分散，制得铌酸钠纳米颗粒分散液；
31、2）配制纤维素/铌酸钠混合液：将铌酸钠分散液降温至-13 ℃，加入4 g纤维素，以1700 rpm/min 的转速快速搅拌，再以5000 rpm/min的转速离心，得到纤维素/铌酸钠混合液；
32、3）制水凝胶：将得到的纤维素/铌酸钠混合液铺散在玻璃板上，使之形成特定厚度，再浸泡在5%硫酸溶液中再生6 min，制得纤维素/铌酸钠水凝胶；
33、4）制膜：将上述水凝胶固定在pmma板上，在室温下干燥24 h，得到纤维素与铌酸钠体积比为10：90的纤维素/铌酸钠复合膜。
34、 采用与实施例1相同的方法对本实施例制备的复合膜进行介电性能测试，测试结果表明，复合膜的相比纯纤维素膜的介电性能得到很大增强，在103 hz的频率下，介电常数从8.5提高到9.6，击穿强度从100 mvm-1增加到了170 mvm-1。
35、实施例3
36、制备纤维素/铌酸钠纳米颗粒复合膜，步骤如下：
37、1）配制铌酸钠分散液：取12 g尿素，7 g氢氧化钠，81 g去离子水混合，加入3.03 g铌酸钠纳米颗粒，超声分散2 min，使得铌酸钠纳米颗粒能完全分散，制得铌酸钠纳米颗粒分散液；
38、2）配制纤维素/铌酸钠混合液：将铌酸钠分散液降温至-13 ℃，加入4 g纤维素，以1600 rpm/min 的转速快速搅拌，再以5000 rpm/min的转速离心，得到纤维素/铌酸钠混合液；
39、3）制水凝胶：将得到的纤维素/铌酸钠混合液铺散在玻璃板上，使之形成特定厚度，再浸泡在5%硫酸溶液中再生6 min，制得纤维素/铌酸钠水凝胶；
40、4）制膜：将上述水凝胶固定在pmma板上，在室温下干燥24 h，得到纤维素与铌酸钠体积比为15：85的纤维素/铌酸钠复合膜。
41、 采用与实施例1相同的方法对本实施例制备的复合膜进行介电性能测试，测试结果表明，复合膜的相比纯纤维素膜的介电性能得到很大增强，在103 hz的频率下，介电常数从8.5提高到10.2，击穿强度从100 mvm-1增加到了150 mvm-1。
42、实施例4
43、制备纤维素/铌酸钠纳米颗粒复合膜，步骤如下：
44、1）配制铌酸钠分散液：取12 g尿素，7 g氢氧化钠，81 g去离子水混合，加入4.29 g铌酸钠纳米颗粒，超声分散2 min，使得铌酸钠纳米颗粒能完全分散，制得铌酸钠纳米颗粒分散液；
45、2）配制纤维素/铌酸钠混合液：将铌酸钠分散液降温至-13 ℃，加入4 g纤维素，以1000 rpm/min 的转速快速搅拌，再以5000 rpm/min的转速离心，得到纤维素/铌酸钠混合液；
46、3）制水凝胶：将得到的纤维素/铌酸钠混合液铺散在玻璃板上，使之形成特定厚度，再浸泡在5%硫酸溶液中再生2 min，制得纤维素/铌酸钠水凝胶；
47、4）制膜：将上述水凝胶固定在pmma板上，在室温下干燥24 h，得到纤维素与铌酸钠体积比为20：80的纤维素/铌酸钠复合膜。
48、 采用与实施例1相同的方法对本实施例制备的复合膜进行介电性能测试，测试结果表明，复合膜的相比纯纤维素膜的介电性能得到很大增强，在103 hz的频率下，介电常数从8.5提高到10.5，击穿强度从100 mvm-1降低到了90 mvm-1。铌酸钠比例提高后，形成了团聚，和纤维素复合的界面结构缺陷变多，形成气孔或孔洞，容易形成漏电通路，增大漏电电流和介电损耗，击穿强度下降。
49、本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。