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1. 研究目的与意义（文献综述）
随着科学技术的不断发展、制造技术的不断革新,在电子电器，能源高效转化和存储方面，各行业对所用材料的综合性能也提出了更高的要求。高储能密度电介质材料是电容器储能器件的核心，对高能武器和智能电网等先进装备领域有着非常 重要的影响，关于介电储能材料的研究不仅是科学研究的热点,同时也是国民经济与国家安全的迫切需求。[1]而为了适应现代工业快速发展的挑战和需要,对介电材料提出了更高的要求,如高放电能量密度、高能效、轻质、易加工等。传统的铁电陶瓷和单一的高分子材料均不能满足要求，介电陶瓷虽然介电常数大,但击穿强度较小，需要提高击穿强度进而提高储能性能;[2]介电聚合物虽然击穿强度较大,但其介电常数较小,需要提高介电常数进而提高储能性能;[3]这也说明了单相材料的改进均难以使其储能性能得到满意的提升。党智敏等也阐述了关于纳米介电材料发展方面的一些困难，如何实现高介电常数和高击穿强度，从而提高储能性能；如何合理优化颗粒浓度，获得最佳体积比；创造均匀电场等。也展望了关于高介电常数的柔性纳米介电材料在电力储能方面的应用。[4]纤维素（Cellulose）作为一种大分子多糖，是世界上分布最广、含量最多的天然高分子材料，自然界中棉花、秸秆、麻类等都含有纤维素，可以作为提取纳米纤维素的来源。纤维素的自然资源丰富，价格低廉，每年的纤维素的合成量相当大，而其作为一种高结晶性的多糖，与人工合成的高分子相比具有可降解性及生物相容性等优势，被广泛应用于增强聚合物复合材料，并在生物传感、电子柔性器件、催化、无机纳米粒子合成以及储能等领域表现了巨大的应用前景。通常用物理溶解和再生两种较为简单的方式获得再生纤维素，操作不复杂，回收溶剂对环境也友好。目前对生物质纤维素的开发与利用技术在逐渐完善, 合理充分地开发利用这些生物质资源，制备出性能优异的纤维素基制品，对于保护环境、节约能源、开发资源、发展新材料、新产品有着重要的研究意义。[5,6]不少以纤维素为基体，增强聚合物的介电性能的研究。Yang等以2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）氧化纤维素纳米纤维（TOCNs）和六角氮化硼纳米片（BNNSs）为原料，在水分散体系中制备了纤维素纳米纤维/氮化硼纳米片复合薄膜，使其浸泡在CaCl2水溶液中进一步交联，以改善其性能，其最终具有高热稳定性和高能量密度。[7] 在国内外也有不少研究人员运用纤维素为制备环境友好的生物基储能材料提供了新的途径，应用纤维素制备出可降解高性能介电储能材料是一个研究重点。[8,9]在诸多传统聚合物材料中，聚偏氟乙烯（PVDF）除具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性、耐射线辐射性能外，还具有压电性、介电性、热电性等特殊性能，聚偏氟乙烯（PVDF）的介电性能优异，其分子链内存在大量的偶极矩，表现出高介电、压电等铁电性能。作为介电材料，PVDF的介电常数在6-12之间，具有较高的击穿场强。该类聚合物经物理/化学改性后表现出非常优异的介电、储能性能, 尤其在高储能放电电容 器领域被寄予厚望。[10] PVDF是铁电体，铁电聚合物由于具有较高的介电常数而成为一种具有很大发展潜力的电介质材料。利用制备纳米复合材料的方法，可以进一步提高其介电性能，从而有效提高材料的储能密度。[11,12]关于PVDF的性能研究中，将一种季铵盐铁氧体填料（≤9 vol％）嵌入PVDF聚合物基体中应用于柔性电子，研究其合成和功能特性。[13]还有不少研究人员运用PVDF的优异性能，制备出了高性能的介电储能材料，这具有广阔的研究前景。[14,15]但是PVDF还存在一些不足，例如不可降解，复合材料的能量密度也不是特别高。而电子设备不断向高度集成化、便携化、轻量化、可穿戴化、可植入化的趋势发展，整个社会也在追求可持续发展，开发高性能的储能设备迫在眉睫。用环境友好型，价格低廉，具有很大潜力的生物材料纤维素来增强具有高介电强度、高加工能力和高可靠性的柔性高分子材料聚偏氟乙烯（PVDF）是一个很好的方向，我们期望制得的纤维素/PVDF复合材料，是具有优异的介电性能，热导率和力学性能的生物基储能材料。[16]本课题利用碱/尿素法低温溶解纤维素，利用再生浴制备再生纤维素（RC），再将再生纤维素水凝胶膜与PVDF复合，以获得一种在高电场条件下具有优异储能性能的新型再生纤维素基复合材料。
2. 研究的基本内容与方案
2.1基本内容 1.文献调研，了解国内外相关研究概况和发展趋势，了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系；2.利用碱/尿素法低温溶解纤维素，制备再生纤维素水凝胶膜；3.制备不同PVDF浓度的DMF溶液；4.制备RC/PVDF复合薄膜；5.对RC/PVDF复合材料进行结构表征和性能测试；6.分析总结数据，撰写毕业论文。2.2研究目标1. 通过实验掌握纤维素/聚偏氟乙烯复合膜的制备方法；2. 学会采用结构分析与性能表征技术分析RC/PVDF复合材料的结构与性能；3. 提出关于提高复合材料性能的有效方案。2.3技术方案1.制备再生纤维素水凝胶膜配制纤维素溶液：尿素12 g，氢氧化钠7 g，去离子水81 g混合均匀，之后冷却至-13℃，加入纤维素，以1700 rpm左右的速度搅拌3min，得到溶液。将上述溶液用5000 rpm的速度离心10min，得到溶液。将得到的溶液铺在玻璃板上，用5%硫酸溶液再生5min，得到水凝胶。将得到的水凝胶用自来水冲洗12h左右，再用去离子水冲洗2~3h。得到再生纤维素水凝胶膜。2.制备PVDF的DMF溶液将不同质量的PVDF粉末加入到100 ml的DMF溶液中，磁力搅拌0.5 h，以得到浓度为0.5%、1.0%和2.0%的PVDF溶液。3.制备纤维素/聚偏氟乙烯复合膜将得到的再生纤维素水凝胶膜浸泡在DMF中置于恒温振荡器上震荡6 h进行溶剂置换，取出后再将其浸泡到不同浓度的PVDF的DMF溶液中，置于恒温振荡器上震荡6 h。将得到的复合凝胶膜固定在玻璃板上，于加热板上60℃烘3 h，以除去多余的溶剂，得到再生纤维素/聚偏氟乙烯复合膜。4.采用SEM、FTIR、拉伸测试、介电仪等测试技术对复合材料的形貌、结构与性能进行表征。
3. 研究计划与安排
第1－7周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。第8－11周：按照设计方案，制备rc/pvdf复合材料。第12－13周：采用sem、ftir、拉伸测试、介电仪等测试技术对复合材料的形貌、结构与性能进行表征。第14周：总结实验数据，完成并修改毕业论文。第15周：论文答辩。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]罗莎,沈佳斌,郭少云.高储能密度聚合物基介电复合材料的研究进展[J].高分子通报,2019(08):14-21.[2]卢鹏荐, 王一龙, 孙志刚, 等. 高介电常数, 低介电损耗的聚合物基复合材料[J]. 化学进展, 2010, 22(08): 1619-1625.[3]顾逸韬,刘宏波,马海华,童苑馨.电介质储能材料研究进展[J].绝缘材料,2015,48(11):1-7 13.[4]DANG, Zhi‐Min, et al. Flexible nanodielectric materials with high permittivity for power energy storage. Advanced Materials, 2013, 25.44: 6334-6365.[5]KHAN, Muhammad Naveed, et al. Environmentally benign extraction of cellulose from dunchi fiber for nanocellulose fabrication. International Journal of Biological Macromolecules, 2020.[6]陈航, 骆文, 梅长彤, et al. 傅里叶变换红外光谱在纳米纤维素研究中的应用[J]. 光谱学与光谱分析, 2016(S1):203-204.[7]Yang J , Xie H , Chen H , et al. Cellulose nanofibril/boron nitride nanosheet composites with enhanced energy density and thermal stability by interfibrillar cross-linking through Ca2 [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2017:10.1039.C7TA08188J.[8]ZHANG, Chenggang, et al. Flexible cellulose/BaTiO3 nanocomposites with high energy density for film dielectric capacitor. ACS Sustainable Chemistry Reports from Zhejiang Normal University Describe Recent Advances in Nanowires (Flexible and high performance of n-type thermoelectric PVDF composite film induced by nickel nanowires)[J]. Chemicals Chemistry,2020.[16] Kou,Zhou,Li,Wang,Li,Cai,Liu,Chen,Wang,Dang. Enhanced dielectric properties of PVDF nanocomposites with modified sandwich-like GO@PVP hybrids[J]. Polymer-Plastics Technology and Materials,2020,59(6).
