摘要
聚合物基电介质材料因其易于加工、柔韧性好、击穿场强高等优点，在储能材料领域受到了极大的关注。但是，这些被广泛研究的传统聚合物（例如双向拉伸聚丙烯，聚偏氟乙烯(PVDF)）均属于化石衍生物，既不可再生又容易造成环境污染。因此，设计并制备可再生的生物质基新型介电复合材料具有十分重要的意义。和传统聚合物相比，纤维素具有可再生、无污染、可生物降解以及产量高、来源广泛、价格便宜等优点，是绿色能源中最有潜力的材料之一。本论文主要研究再生纤维素基介电储能复合材料，以绝缘性能优异的氧化铝为主要填料，通过复合来进一步提高材料的击穿场强和储能密度，从而得到储能性能优异的生物质基电介质材料。本文的主要研究内容和结果如下： (1)在氢氧化钠/尿素水溶液超声分散氧化铝纳米颗粒(AONP)，以纤维素(DP610)为基体，通过低温溶解/再生的方法制备再生纤维素/氧化铝纳米颗粒介电复合膜(RC-AONP)，探索AONP的含量与材料介电储能性能之间的关系。扫描电子显微镜(SEM)表明AONP在纤维素中分散良好。介电常数和击穿场强分析表明，AONP的质量分数为5wt%时，RC-5AONP的储能密度较RC提高最多，在380MV m-1达到了5.7J cm-3，约为BOPP的3倍。此外，氧化铝的加入使得复合材料的机械性能和热性能也有一定程度的提高。 (2)以水热法制备了氧化铝纳米片(AONS)，扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表明纳米片的边长为80-100nm，厚度为10nm左右，尺寸分布均匀。X射线衍射(XRD)进一步证明所制得的氧化铝为γ相。实验结果表明，相比于零维的AONP，二维的AONS在提高复合材料的介电常数和击穿场强方面具有更好的效果。当AONS的质量分数为5wt%时，RC-5AONS在420MV m-1下储能密度达到了6.2J cm-3，相较于RC-5AONP，储能密度提高了0.5J cm-3。 (3)采用聚偏氟乙烯(PVDF)来降低再生纤维素的亲水性，通过浸泡法制备再生纤维素/聚偏氟乙烯介电复合膜(RC-PVDF)。傅里叶红外变换光谱(FTIR)和元素分析表明，PVDF成功进入了纤维素网络结构中，且部分PVDF以β相存在，有利于提高复合材料的介电性能。此外，复合膜在湿度环境下的吸水性得到了有效降低。实验结果表明，当PVDF溶液浓度为3wt%时，复合材料的综合性能最好。再将RC-5AONS浸泡3wt%的PVDF溶液，制得三元RC-5AO-3PVDF介电复合材料。电位移-电场强度(D-E)曲线分析表明，三元复合材料的储能密度可达8.32J cm-3，并且在200MV m-1下可循环稳定工作10000次以上。
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