權(quán)利要求

1.有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一：將聚合物氣凝膠浸漬在碳水化合物水溶液中，冷凍干燥后再低溫碳化處理，形成碳包覆的氣凝膠材料； 步驟二：采用真空浸漬的方法將所述氣凝膠材料真空浸漬在有機(jī)相變材料熔體中，之后加熱去除未被吸附的所述有機(jī)相變材料，得到聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 所述聚合物氣凝膠包括聚酰亞胺類、聚酰胺類、聚氨酯類、聚磷腈類、聚苯并唑類或聚芳醚酮類。 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 所述聚合物氣凝膠包括聚酰亞胺、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑、聚醚酮、聚醚醚酮中的一種或幾種； 所述聚合物氣凝膠的形態(tài)是粉末狀、纖維狀、片層結(jié)構(gòu)或塊狀。 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 所述碳水化合物包括單糖、二糖、低聚糖或多糖。 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 所述碳水化合物包括葡萄糖、果糖、半乳糖、麥芽糖、蔗糖、乳糖、淀粉、果膠中的一種或幾種； 所述碳水化合物水溶液的質(zhì)量濃度為0.5％～50％。 6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 步驟一中所述浸漬的反應(yīng)條件是在室溫常壓或室溫真空下浸漬0.5～36小時； 所述浸漬過程在超聲條件下進(jìn)行，超聲功率為200～600W，超聲時間為0.5～3小時。 7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 步驟一中所述低溫碳化反應(yīng)條件為在惰性氣體氣氛下，碳化溫度為250～450℃處理1～10小時； 所述惰性氣體的流量為1～100mL/min。 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 步驟二中所述有機(jī)相變材料包括石蠟類、脂肪酸類或多元醇類。 9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 所述有機(jī)相變材料熔體為在所述有機(jī)相變材料的熔點以上10～30℃狀態(tài)下的相變材料，所述浸漬時間為6～36小時。 10.一種聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料，其特征在于，采用如權(quán)利要求1-9任一項所述的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法制備。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于相變材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了一種有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法和制備的相變復(fù)合材料。

背景技術(shù)

由于化石能源的短缺和能源的短缺，能源危機(jī)在世界范圍內(nèi)引起了越來越多的關(guān)注。蓄熱正在成為合理高效利用現(xiàn)有能源的最有效的方法之一。在所有的蓄熱方法中，潛熱蓄熱由于其優(yōu)異的相變特性和高的蓄熱容量而在許多領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。相變材料是一種蓄熱材料，它可以隨著環(huán)境溫度的變化，通過調(diào)節(jié)自身的相變來儲存和釋放潛熱。近年來，相變材料在電池?zé)峁芾?、建筑?jié)能、紡織溫度調(diào)節(jié)、太陽能、熱回收系統(tǒng)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

相變材料主要分為有機(jī)相變材料(如石蠟、月桂酸和烷烴)和無機(jī)相變材料(包括合金、金屬、鹽和鹽水合物)。有機(jī)相變材料具有潛熱儲存能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低、無腐蝕性、無毒性、無相分離、固態(tài)時成型較好等優(yōu)點。然而，有機(jī)相變材料熱導(dǎo)率低，容易造成系統(tǒng)局部過冷或過熱，并且在相變過程中容易發(fā)生泄露，導(dǎo)致儲熱系統(tǒng)的儲熱性能下降，限制了其應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，以緩解現(xiàn)有方法制備的有機(jī)相變材料熱導(dǎo)率低導(dǎo)致系統(tǒng)局部過冷或過熱且儲熱性能降低的問題。

為了緩解上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案在于：

一種有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：將聚合物氣凝膠浸漬在碳水化合物水溶液中，冷凍干燥后再低溫碳化處理，形成碳包覆的氣凝膠材料；

步驟二：采用真空浸漬的方法將氣凝膠材料真空浸漬在有機(jī)相變材料熔體中，之后加熱去除未被吸附的有機(jī)相變材料，得到聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料。

更進(jìn)一步地，聚合物氣凝膠包括聚酰亞胺類、聚酰胺類、聚氨酯類、聚磷腈類、聚苯并唑類或聚芳醚酮類。

更進(jìn)一步地，聚合物氣凝膠包括聚酰亞胺、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑、聚醚酮、聚醚醚酮中的一種或幾種；聚合物氣凝膠的形態(tài)是粉末狀、纖維狀、片層結(jié)構(gòu)或塊狀。

更進(jìn)一步地，碳水化合物包括單糖、二糖、低聚糖或多糖。

更進(jìn)一步地，碳水化合物包括葡萄糖、果糖、半乳糖、麥芽糖、蔗糖、乳糖、淀粉、果膠中的一種或幾種；碳水化合物水溶液的質(zhì)量濃度為0.5％～50％；優(yōu)選為5％～25％。

更進(jìn)一步地，步驟一中浸漬的反應(yīng)條件是在室溫常壓或室溫真空下浸漬0.5～36小時，以使聚合物氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全浸潤；浸漬過程在超聲條件下進(jìn)行，超聲功率為200～600W，超聲時間為0.5～3小時。此步驟目的是使聚合物氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與碳水化合物溶液充分浸潤。

更進(jìn)一步地，步驟一中低溫碳化反應(yīng)優(yōu)選在管式爐中進(jìn)行，惰性氣體氣氛下，碳化溫度為250～450℃處理1～10小時；惰性氣體的流量為1～100mL/min。惰性氣體為氮氣、氬氣、氦氣中的一種、兩種或更多種。

更進(jìn)一步地，步驟二中有機(jī)相變材料包括石蠟類、脂肪酸類或多元醇類；優(yōu)選地，包括月桂酸、硬脂酸、棕櫚酸、肉豆蔻酸、癸酸、季戊四醇、新戊二醇、碳原子數(shù)17～36的石蠟、平均分子量600～10000的聚乙二醇中的一種、兩種或更多種。

更進(jìn)一步地，有機(jī)相變材料熔體為在有機(jī)相變材料的熔點以上10～30℃狀態(tài)下的相變材料，浸漬時間為6～36小時。

一種聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料，采用上述的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法制備。

本發(fā)明中的有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法及制備的聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料的有益效果分析如下：

1、本發(fā)明提供的聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法通過將聚合物納米纖維氣凝膠浸潤碳水化合物溶液和低溫碳化，在纖維外壁包覆碳層，再經(jīng)真空浸漬有機(jī)相變材料制備氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料，經(jīng)濟(jì)環(huán)保；

2、聚合物氣凝膠外包覆的碳層不僅增大了氣凝膠載體與有機(jī)相變材料的潤濕性，同時增加了材料的導(dǎo)熱系數(shù)；

3、發(fā)明采用熱分解溫度較高的聚合物氣凝膠作為載體材料，提高了相變復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性；

4、因聚合物氣凝膠極低的密度、極高的孔隙率和比表面積，本發(fā)明采用聚合物氣凝膠作為相變材料的載體材料可大大提高封裝率(即負(fù)載率，指有機(jī)相變材料與整體復(fù)合材料的質(zhì)量比)；

5、聚合物氣凝膠易成型，可制備納米顆粒、纖維狀或片層結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同需求進(jìn)行設(shè)計，以滿足不同應(yīng)用場景；

6、本發(fā)明提供的聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料具有封裝率高、導(dǎo)熱率高、相變潛熱高、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可用于太陽能利用、新型綠色建筑、工業(yè)熱回收、通訊、服裝等領(lǐng)域；

7、該有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法工藝簡單，操作方便，對設(shè)備要求低，可進(jìn)行大規(guī)模制備，具有工業(yè)化生產(chǎn)的應(yīng)用前景。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體實施方式或相關(guān)技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為聚合物氣凝膠浸漬不同濃度的蔗糖溶液碳化處理后的樣品圖；

圖2為實施例1中聚合物氣凝膠包覆碳層后及其有機(jī)相變復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡圖；

圖3為實施例1制備的聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料的DSC譜圖；

圖4為實施例1制備的聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料的熱失重譜圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明，即所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。

因此，以下對提供的本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法；下述實施例中所用的試劑、材料等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。

實施例1：

將聚對苯二甲酰對苯二胺氣凝膠(孔隙率94.7％)浸漬在蔗糖溶液(蔗糖15g，水85g)中，抽真空并將系統(tǒng)置于超聲清洗機(jī)中(200W)超聲1.5小時，取出后進(jìn)行冷凍干燥；之后將浸漬了蔗糖的聚對苯二甲酰對苯二胺氣凝膠置入管式爐的石英管中，對系統(tǒng)充氬氣，氬氣流量為10～20mL/min，使石英管中無氧氣等活潑氣體，碳化的溫度為350℃，時間為3小時，形成碳包覆的氣凝膠材料。

采用真空浸漬的方法，將上述碳包覆的氣凝膠材料真空浸漬在聚乙二醇(平均分子量4000)熔體中(80℃)，24小時后取出浸漬了聚乙二醇的氣凝膠材料放入100℃烘箱中加熱至恒重，得到聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料，標(biāo)記為C1。

制得的聚合物氣凝膠分別浸漬在10％、15％和30％的蔗糖溶液碳化處理后的結(jié)果，請參考圖1，可以看出浸漬的蔗糖溶液濃度越高，包覆碳層越厚。

請參考圖2，左圖為聚合物氣凝膠包覆碳層后的掃描電子顯微鏡圖，聚合物氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)外壁包覆碳層；右圖為浸入聚乙二醇后得到的有機(jī)相變復(fù)合材料C1的掃描電子顯微鏡圖。

實施例1中制備的聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料C1的DSC譜圖請參考圖3，灰色為首次熱循環(huán)曲線，黑色為100次循環(huán)后DSC曲線，可以看出有機(jī)相變復(fù)合材料C1熱焓高，吸放熱能力強(qiáng)，儲熱能力好。

實施例1中制備的聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料C1的封裝率通過稱量計算為91.8％，通過測試得到的封裝率為92.57％，請參考圖4，具體說明如下：

1、C1在350℃以內(nèi)沒有熱失重，說明材料熱穩(wěn)定性好；

2、超過350℃之后逐漸失重，來自于相變材料的分解，在大概600℃分解結(jié)束，失重達(dá)到了92.57％，說明相變材料的封裝率高達(dá)92.57％，測試結(jié)果與計算結(jié)果基本一致。

實施例2：

此實施例與實施例1相似，除了將蔗糖溶液濃度變?yōu)檎崽?0g、水90g外，其他條件相同，得到聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料，標(biāo)記為C2。

實施例3：

將聚對苯二甲酰對苯二胺氣凝膠(孔隙率94.7％)浸漬在葡萄糖溶液(葡萄糖25g，水75g)中，抽真空并將系統(tǒng)置于超聲清洗機(jī)中(300W)超聲1.5小時，取出后進(jìn)行冷凍干燥；之后將浸漬了葡萄糖的聚對苯二甲酰對苯二胺氣凝膠置入管式爐的石英管中，對系統(tǒng)充氬氣，氬氣流量為10～20mL/min，使石英管中無氧氣等活潑氣體，碳化的溫度為350℃，時間為4小時，形成碳包覆的氣凝膠材料。

采用真空浸漬的方法，將上述碳包覆的氣凝膠材料真空浸漬在聚乙二醇(平均分子量4000)熔體中(80℃)，18小時后取出浸漬了聚乙二醇的氣凝膠材料放入100℃烘箱中加熱至恒重，得到聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料，標(biāo)記為C3。

實施例4：

將聚酰亞胺氣凝膠(孔隙率91％)浸漬在淀粉溶液(淀粉5g，水95g)中，抽真空并將系統(tǒng)置于超聲清洗機(jī)中(300W)超聲1.5小時，取出后進(jìn)行冷凍干燥；之后將浸漬了淀粉的聚酰亞胺氣凝膠置入管式爐的石英管中，對系統(tǒng)充氬氣，氬氣流量為10～20mL/min，使石英管中無氧氣等活潑氣體，碳化的溫度為400℃，時間為3小時，形成碳包覆的氣凝膠材料。

采用真空浸漬的方法，將上述碳包覆的氣凝膠材料真空浸漬在十八醇熔體中(80℃)，18小時后取出浸漬了十八醇的氣凝膠材料放入80℃烘箱中加熱至恒重，得到聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料，標(biāo)記為C4。

實施例5：

將實施例4中的淀粉溶液改為蔗糖溶液(蔗糖15g，水85g)，碳化的溫度為300℃，時間為5小時，其他條件不變，得到聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料，標(biāo)記為C5。

對比例1：

采用真空浸漬的方法，將聚對苯二甲酰對苯二胺氣凝膠直接真空浸漬在聚乙二醇(平均分子量4000)熔體中(80℃)，24小時后取出浸漬了聚乙二醇的氣凝膠材料放入100℃烘箱中加熱至恒重，得到聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料，標(biāo)記為C6。

對比例2：

采用真空浸漬的方法，將聚酰亞胺氣凝膠直接真空浸漬在十八醇熔體中(80℃)，18小時后取出浸漬了十八醇的氣凝膠材料放入80℃烘箱中加熱至恒重，得到聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料，標(biāo)記為C7。

各實施例和對比例所制備聚合物氣凝膠有機(jī)相變復(fù)合材料的封裝率、相變潛熱、相變溫度和導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果如下表所示：

從上表數(shù)據(jù)可見，對比例1和實施例1～3相比，沒有浸漬在碳水化合物溶液中，沒有包覆碳層，導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低。對比例2和實施例4和實施例5相比，沒有浸漬在碳水化合物溶液中，沒有包覆碳層，導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。

有機(jī)相變復(fù)合材料的制備方法和制備的相變復(fù)合材料.pdf