一种多功能复合纳米纤维膜的制备方法、单电级摩擦电传感器及应用

本发明属于纳米能源领域，尤其涉及一种多功能复合纳米纤维膜的制备方法、单电级摩擦电传感器及应用。

背景技术：

1、传统的基于电力的冷却技术消耗了大量的能源，产生了大量的碳排放，碳排放进一步引发了频繁的极端天气异常和显著的温室效应。利用被动辐射冷却(prc)技术制备的纳米纤维膜能通过反射太阳光(aw 0.3-2.5μm)并通过大气的透明窗口(aw 8-13μm)散发自身热量，从而避免了这种恶性循环，因而受到广泛关注。

2、但是，目前具有被动辐射冷却功能的纳米纤维膜存在制造成本昂贵、制造工艺复杂、夜间过冷、功能单一等问题。

3、例如，中国专利cn111996679b公开了一种彩色辐射制冷柔性复合薄膜及其制备方法，该复合薄膜采用低效的静电纺丝技术，虽然具有夜间过冷的缺陷，但缺少更多的功能；中国专利cn115926235b公开了一种太阳光透过率可调的辐射冷却细菌纤维素纳米复合薄膜及其制备方法，虽然该复合薄膜具有辐射冷却性能和隔热性能，但该复合薄膜的制备过程复杂，步骤繁琐，也缺乏更多功能；wang等采用传统低效的静电纺丝技术制备了具有良好柔韧性和日间辐射冷却功能的复合纤维膜(x.wang,x.liu,z.li,h.zhang,z.yang,h.zhou,t.fan,scalable flexible hybrid membranes withphotonic structures for daytimeradiative cooling,adv functmaterials 30(2020)1907562.https://doi.org/10.1002)，该复合纤维膜利用静电纺丝技术制备效率低，且无法解决夜间过冷问题，实现温度自适应调节，也不具备其他功能，功能单一；cai等采用溶剂诱导相分离技术开发了具有优良机械性能和紫外线耐久性的新型纤维素复合膜(c.cai,f.chen,z.wei,c.ding,y.chen,y.wang,y.fu,large scalable,anti-ultraviolet,strong cellulose film withwell-defined dual-pores for longtime daytime radiative cooling,chemicalengineering journal 476(2023)146668.https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146668)，该纤维素复合膜制备工艺复杂繁琐，效率低，工业化困难，且未解决夜间过冷问题，除具有长期的被动辐射冷却功能外，不具备其他功能。

4、这些研究都只解决了被动辐射冷却纳米纤维膜所面临的部分问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种多功能复合纳米纤维膜的制备方法、摩擦电传感器及应用，利用简单高效、低成本、可规模化生产的溶液喷射纺丝技术，以丝素蛋白为基材，结合二氧化钛tio2和相变微胶囊pcms，制备了兼具日间冷却、夜间保温的自适应调温功能和摩擦电性能的丝素蛋白基复合纳米纤维膜，并将其作为摩擦层制备了单电极摩擦电传感器进行了应用。

2、本发明提供的技术方案如下所示：

3、本发明提供一种多功能复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

4、将经过脱胶和除杂处理的丝素蛋白与由无水氯化钙和甲酸组成的混合溶剂结合，在室温下搅拌以形成丝素蛋白溶液；

5、向丝素蛋白溶液中加入tio2，并在搅拌后加入相变材料pcms，随后进行搅拌和超声处理，以制备pcms/tio2/丝素蛋白纺丝液；

6、采用溶液喷射纺丝技术，将所述纺丝液转化为丝素蛋白基复合纳米纤维膜。

7、进一步的，所述丝素蛋白溶液中无水氯化钙和脱胶除杂后的丝素蛋白的质量比为1:6-1:9。

8、进一步的，所述丝素蛋白溶液的质量分数为15-20wt％。

9、进一步的，所述pcms/tio2/丝素蛋白纺丝液中tio2的添加量为5-15wt％，pcms的添加量为1-5wt％。

10、进一步的，所述溶液喷射纺丝技术采用的同轴纺丝针头规格为17+22g，针头内通道连接纺丝液，外通道连接气流，且尼龙接收网固定在接地金属多孔板上，针头距离接收网35-45cm。

11、进一步的，所述溶液喷射纺丝过程中，气流压力维持在0.2-0.25mpa，辅助电场电压为10-15kv，纺丝液流速控制在5-10ml/h。

12、进一步的，所述溶液喷射纺丝过程中，环境湿度为50-65％，环境温度为20-25℃。

13、进一步的，所述tio2为金红石型，粒径为250-350nm，所述pcms的粒径为1-3μm，相变温度为25-30℃。

14、本发明还提供一种单电极摩擦电传感器，所述单电极摩擦电传感器包括第一摩擦层、第二摩擦层和电极层，所述第一摩擦层和第二摩擦层分别形成于电极层的上下表面，所述第一摩擦层和第二摩擦层是根据上述所述的多功能复合纳米纤维膜的制备方法制得的多功能复合纳米纤维膜，所述电极层采用高导电石墨粉作为电极材料，所述高导电石墨粉的粒径为10-30μm，碳含量99.9％。

15、本发明还提供一种单电极摩擦电传感器在汽车模型上的应用，所述单电极摩擦电传感器为上述所述的单电极摩擦电传感器，该传感器被配置为监测模型汽车上不同部位的刮蹭碰撞情况。

16、有益效果

17、本发明采用高效、简单、低耗、安全、规模化的新型纳米纤维制备技术—溶液喷射纺丝技术制备了多功能的复合纳米纤维膜，相比传统的静电纺丝、涂敷等方法，提高了其规模化生产和应用的能力。

18、本发明以丝素蛋白为基材，以内部负载的方式结合了tio2和pcms，制备了丝素蛋白基复合纳米纤维膜。丝素蛋白作为基底具有良好的柔韧性，而且丝素蛋白纳米纤维可以在结合成纳米纤维网络的同时，将tio2和pcms颗粒均匀的包裹其中，tio2的加入增大了复合纳米纤维膜的反射率，从而增强了其被动辐射冷却效果，pcms的加入可以存储和调度被动辐射冷却产生的冷却能量，从而使复合纳米纤维膜具备日间冷却、夜间保温的自适应调温功能。室内热模拟测试结果显示，当该复合纳米纤维膜暴露在700-800w/m2的室内红外光下时，其膜下温度比周围环境降低约4-9.9℃，表明其具有日间冷却效果；关灯模拟夜间时，其膜下温度比周围环境提高约1.5-2.2℃，且降温速率更低，表明其具有夜间保温效果。而且，当该复合纳米纤维膜应用到模型汽车上时，也可实现约22℃的冷却效果和约4℃的保温效果。

19、本发明制得的复合纳米纤维膜还具有优良的摩擦电性能，输出电压在4.5v以上，可以满足实际应用的需求，因此将其作为摩擦层组装成单电极摩擦电传感器，该传感器的输出电压稳定，且电压值可达8v，而且该传感器还具有良好的电输出循环稳定性，在1000个周期内仍能保持相对稳定。该传感器的最大输出功率密度约为272uw/m2，可在户外应用中实现传感监测功能。将该传感器应用到模型汽车上，还能监测汽车上不同部位的刮蹭碰撞情况，做出危险预警，避免造成严重后果。