柔性薄木、柔性木基摩擦电材料及其制备方法和

本发明属于木质复合材料，具体地，涉及柔性薄木、柔性木基摩擦电材料及其制备方法和应用。背景技术：1、摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator，teng)可以有效地将各种形式的低频机械能转换为电能。teng主要由电正负性摩擦材料、电极材料、基底支撑材料和外接导线组成，其工作原理基于摩擦起电和静电感应的耦合，在摩擦过程中，两种不同电负性的材料会出现电子转移现象，形成静电荷积累，进而产生电势差和电流。现阶段，teng正极的摩擦起电材料包括金属氧化物(ito、zno)、金属(al)、纤维素、尼龙、聚酰胺等，teng负极摩擦起电材料主要有聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、氟化乙烯丙烯(fep)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)和聚二甲基硅氧烷(pdms)等。在使用过程中，金属材料易被氧化腐蚀，会影响teng长期使用时的结构稳定性，合成聚合物在自然环境中不可直接降解，会对环境产生影响，因此，开发具有结构稳定性和生物可降解性的摩擦电材料引起了研究者的广泛关注。2、木材是一种具有多层级孔隙结构的天然高分子材料，在纤维素微纤丝集聚形成木质纤维的过程中，纤维素、半纤维素和木质素相互缠连，形成了垂直排列的天然孔道，具有高表面粗糙度，在摩擦过程中会失去电子而带正电荷，具备作为teng正极摩擦材料的潜力。中国发明专利申请公布号cn116408860a，申请日为2023年03月16日，名称为：一种木材自致密化薄膜及其制备方法和应用，公开了对木材进行脱木素后浸渍离子液体—水体系混合液(1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐)，再热压制得木材自致密化薄膜。当其与ptfe负电材料组装成teng，通过接触—分离模式，开路电压可达68v(2×2cm)。虽然该方案解决了天然木材摩擦发电效应不高的问题，但是其制备的teng输出电压仅有68v，电学性能方面仍有很大的提升空间。此外，teng在使用过程中，环境的复杂性对其力学性能，如柔性也提出了更高的要求。3、mxene作为一种新型的二维层状材料，具有优异的物理和化学性质，其表面官能团(-oh、-f、-o等)具有强烈捕获电子能力，有利于捕捉更多的电子来增加材料的表面电荷密度，赋予了mxene表面高电负性特征，可使静电荷积累效果更好，从而增强发电效率。已有研究表明，将mxene/聚乙烯醇(pva)水凝胶作为电极制备柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机mh-teng，mxene纳米促进了pva水凝胶的交联，还在水凝胶内部形成了微通道，这使mh-teng不仅通过改善离子传输来增强水凝胶的导电性，而且还通过流动振动电位机制产生额外的摩擦电输出，其摩擦电输出可以达到230v、270na、38nc(2×5cm)。然而过高的mxene浓度会导致mxene层间堆叠，抑制离子在水凝胶中的运输，反而会降低mh-teng的输出性能。技术实现思路1、1.发明要解决的技术问题2、针对现有技术中木基摩擦电材料缺乏柔性，难以适应复杂的使用环境，以及电学性能不佳的技术问题，本技术提供柔性薄木的制备方法，制备得到的柔性薄木可用于柔性木基摩擦电材料的制备，兼顾力学性能和摩擦电性能。3、2.技术方案4、为达到上述目的，提供的技术方案为：5、本发明的柔性薄木的制备方法，包括以下步骤：6、s1：薄木制备，沿木材顺纤维方向刨切木材，得到刨切薄木；7、s2：脱木质素，将所述刨切薄木进行脱木素处理，得到脱木质素薄木；8、s3：聚电解质浸渍，将所述脱木素薄木依次置于阳离子聚电解质、阴离子聚电解质溶液中浸渍，去除未反应的聚电解质溶液后，于交联剂溶液中浸渍，得到交联薄木；9、s4：mxene浸渍，将所述交联薄木置于mxene溶液后，去除未反应的mxene，干燥，得到所述柔性薄木。10、优选的，纵向(顺纹)刨切，即沿木材顺纤维方向刨切木材，刨切厚度为100～200μm。11、优选的，所述脱木质素的工艺为：将刨切薄木置于1～2wt％naclo2/ch3cooh缓冲液(ph为4～5)中进行脱木素处理，温度为60～85℃，时间为1～2h，得到脱木质素薄木。12、进一步地，所述阳离子聚电解质溶液为壳聚糖、聚乙烯亚胺、聚多巴胺中的一种或多种高；所述阴离子聚电解质溶液为植酸、聚磷酸铵、海藻酸钠中的一种或多种。13、进一步地，所述交联剂溶液为聚丙烯酰胺溶液。14、优选的，将脱木素薄木依次置于1～2wt％阳离子聚电解质、阴离子聚电解质溶液中真空浸渍1～2h，采用去离子水去除未反应的聚电解质溶液，然后在1～2wt％聚丙烯酰胺溶液中真空浸渍1～2h，采用去离子水去除未反应的聚丙烯酰胺溶液，在50～60℃条件下保持1～2h，促进聚丙烯酰胺发生交联反应，得到交联薄木。15、进一步地，所述阳离子聚电解质、阴离子聚电解质溶液和交联剂溶液的浓度为1～2wt％。16、进一步地，所述mxene为ti3c2tx、ti2ctx、v2ctx，所述mxene溶液的浓度为8～10mg/ml。17、优选的，将所述交联薄木置于浓度8～10mg/ml的mxene溶液中，真空浸渍30～45min，然后采用去离子水清洗，去除未反应的mxene，室温时干燥10～30min，得到柔性薄木。18、柔性薄木，由所述的制备方法制备得到。19、柔性木基摩擦电材料的制备方法，将多个所述柔性薄木按纤维方向顺纹组装，热压。20、进一步地，组装层数为2～10层；所述热压的工艺为：于60～85℃、1.2～5.5mpa保持1～2h，随后在保持压力下将温度将至室温，继续保持22～24h。21、柔性木基摩擦电材料，由所述的制备方法制备得到，所述柔性木基摩擦电材料的厚度为200～800μm。22、优选的，所述柔性木基摩擦电材料中mxene的含量为10～20wt％。23、柔性薄木或柔性木基摩擦电材料的应用，其特征在于：将所述所述柔性薄木或柔性木基摩擦电材料应用于摩擦纳米发电机的制备中。24、3.有益效果25、采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：26、(1)本发明的柔性薄木的制备方法和柔性薄木，通过对木材脱木素处理，在木材细胞壁上“造孔”，为阴阳离子聚电解质渗透，以及木材细胞壁各微纳层之间的自组装提供了丰富的纳米级空间和结合位点，并以交联剂(如聚丙烯酰胺)进行交织，进一步在木材的微纳空隙内构建三维网络体系，氢键、酰胺键和静电作用同步赋予木基材料强度和柔性。利用木材本身微纳尺度的分层结构，可有效抑制mxene层间堆叠现象的产生，防止其氧化，同时mxene优异的捕获电子能力，能够进一步提升木基teng的电学性能。27、(2)本发明的柔性木基摩擦电材料的制备方法和柔性木基摩擦电材料，通过将柔性薄木按纤维方向顺纹组装并压制成层合材料，同时高度取向的纤维素纤丝被组装上聚电解质和mxene(如图3、4)，能够快速产生载流子(离子、电子)并在构建的三维网络体系中快速传输(如图7)。力学性能测试显示：柔性木基摩擦电材料的拉伸强度为35.98～55.82mpa，韧性为7.86～20.06mj/m，并可进行折叠、弯曲(如图5)。28、(3)本发明的柔性薄木或柔性木基摩擦电材料的应用，将柔性木基摩擦电材料组装成单电极式摩擦纳米发电机，输出电性能可达165.44～207.36v，11.41～14.31μa、66.16～83.94nc，并且在循环25000次时亦能保持优异的输出电性能，输出电压下降程度在5％以内，力学性能的下降程度也保持在4％以内(如图8)。