CN104818001B - 一种网络多孔聚合物基复合相变材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合相变材料领域，具体涉及一种多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法。其制备方法首先选择性的制备一种多孔网络材料基材，根据芯材的大小和种类对其进行配体的选择及材料表面极性的调控，然后将相变芯材配制成溶液，把制备好的多孔网络聚合物材料分散于配制好的相变材料溶液中，利用孔道的毛细作用力吸附相变材料，干燥后得到具有定型效果的多孔网络聚合物基复合相变材料。本发明的优点在于，所制备的复合相变材料不但可以有效避免相变芯材泄露的问题，而且具有芯材选材多样化、材料热稳定、储能密度大及循环性好等特点，并具有成本低且应用范围广的优势。
Description
技术领域
本发明属于复合相变材料领域，具体涉及一种多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法。
背景技术
随着社会的不断发展以及传统化石能源的日渐枯竭，新型能源如太阳能、风能、海洋能、地热能替代传统能源成为能源开发、环境保护以及人类可持续发展的必经之路。然而这些新型能源和传统能源相比，往往存在着间歇性、波动性，受天气、时间以及地理位置的影响比较大，导致能量供需在时间和空间上的不匹配、不协调、不同步，造成能源使用的效率低下。因此，如何解决上述问题成为目前新型能源大规模应用的一大难题。相变储能技术由于可以通过相变储能材料的物相转换实现能量的存储和释放，是解决上述难题的有效途径。目前，相变储能技术已在航空航天、建筑节能控温、电力移峰填谷、工业余热回收再利用、太阳能利用等领域得到了广泛的应用。
相变储能材料(PCMs)作为相变储能技术的核心材料目前应用最多的是固-液相变储能材料，通过相变材料固相与液相的相互转换实现能量的存储与释放。为防止液相的相变材料在使用过程中发生泄漏，传统的方法是先将相变材料密封在外在容器中，虽然该方法能够有效封装相变材料，但是外在的封装容器增加了相变材料与热源的热阻，降低了热量的传输，同时大幅增加了储能设备的比重，给大范围使用多造成不便。
近来，以多孔材料作为载体，借助孔道间的毛细作用力，将相变材料吸附在多孔载体孔道内制备出复合型的相变材料则有效解决了上述问题。该类复合型相变材料不仅可以有效解决相变材料的泄漏问题，同时还提高了相变材料的能量储存密度和传热性能。常见的多孔载体主要包括金属泡沫、多孔陶瓷、天然多孔矿物(如膨润土、硅藻土)、介孔二氧化硅以及其他的一些多孔碳材料(如膨胀石墨、碳纳米管、活性炭、石墨烯)。然而，这些多孔材料密度大，吸附相变材料的能力有限；另外，多孔陶瓷存在抗热震性能差；碳纳米管和石墨烯等存在着价格昂贵，无法大规模生产，性价比低的缺点。这些多孔材料的缺陷严重影响其在相变领域中的推广使用。因此开发一种廉价的高孔隙率的多孔材料并将其应用于相变储能领域，对相变材料在生产和生活中的应用具有重要的意义。
多孔网络聚合物(PNPs)是一种新型的共价有机骨架材料(COFs)，通过共价键而形成的三维网络多孔材料，该类材料有别于传统的COFs，这是因为传统的COFs的孔径分布主要集中在微孔到介孔区间，虽然具有很大的比表面积，但是也存在孔尺寸小和孔隙率低的缺陷，导致相变储能效率低下；而PNPs的孔径主要为大孔，尺寸在几到几十个微米，以三维网络的方式存在，该类材料具有非常大的孔隙率，由于制备PNPs的有机配体的选择范围很广，可以根据相变材料的性质进行调整，实现相变材料与PNPs表面更好的兼容，同时，该类材料是以共价键形式构成的骨架，具有很强的热稳定性。基于多孔网络聚合物材料以上的特点，非常需要开发一种新型多孔网络聚合物基复合相变材料，以有效克服现有复合相变材料储能密度低下，兼容性以及耐热性差、性价比低等缺点，使之具有更加广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于通过直接合成法制备一种多孔网络聚合物载体，并将其应用于复合相变材料中，该类复合相变材料不仅能够有效防止相变材料出现泄露，同时还具有芯材选材多样化、材料热稳定、储能密度大及循环性好，成本低且应用范围广的优势。
本发明的技术方案是：1)首先制备一种多孔网络聚合物载体，根据芯材的大小和种类选择不同的配体，以更好的匹配所要负载的相变芯材；2)采用溶液浸渍法，将多孔网络聚合物载体材料分散于配制好的含有相变芯材的溶液中，利用多孔材料的孔道结构吸附相变材料，在高于相变温度下除去溶剂，得到多孔网络聚合物基复合相变材料。
具体制备步骤为：
(1)多孔网络聚合物的制备：
将四臂醛和二胺配体加入到溶剂中配制成均相溶液，向溶液中加入一定量的1～5M的醋酸溶液，分散均匀后密封放入到40～150℃的烘箱中，保温24-72h，冷却后过滤洗涤，在40～150℃下干燥2～72h后得到多孔网络聚合物材料。其中，四臂醛：二胺配体：酸的摩尔比为：1～50:1～50:0～10。
(2)复合相变材料的制备：
将步骤(1)制备的多孔网络聚合物基材分散于10～50ml的含有可溶性相变材料的溶剂中，待分散均匀后，在40～500℃下干燥24～72h，得到多孔网络聚合物基复合相变材料。可溶性相变材料和多孔网络聚合物基体的质量比为1～100：1～100。
步骤(1)所述的二胺配体包括对苯二胺、2,5-二甲基对苯二胺、2-氟-5-甲基-1,4-苯二胺、2-硝基对苯基二胺、2-氯-5-甲基-1,4-苯二胺、2,3,5,6-四甲基-1,4-苯二胺、3,4'-二氨基二苯基甲烷、4，4’-二氨基二苯基甲烷、4,4'-二氨基二苯甲酮、4,4'-二氨基-3,3'-二甲基二苯甲烷、2,2-双(4-氨基苯基)丙烷、4,4'-亚甲基双(2,6-二甲基苯胺)、4-(4-氨基-2,5-二甲基苄基)-2,5-二甲基苯胺、1,1-双(4-氨基苯基)环己烷、4,4'-亚甲基双(2-乙基-6-甲基苯胺)、4,4'-亚甲基双(2,6-二乙基苯胺)、α,α'-双(4-氨基苯基)-1,4-二异丙基苯、1,4-亚苯基二[[4-(4-氨基苯氧基)苯基]甲酮]等其中的一种或几种。
步骤(1)和步骤(2)所述溶剂包括无水乙醇、无水甲醇、水、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、乙腈、甲苯、1,4二氧六环、N,N二甲基甲酰胺、N,N二乙基甲酰胺等其中的一种或几种。
步骤(2)所述的可溶性相变材料包括：
多元醇类，具体包括聚乙二醇(平均分子量为1000-20000)、季戊四醇、新戊二醇等；
脂肪酸类，具体包括硬脂酸(十八酸)、肉豆蔻酸(十四酸)、棕榈酸(十六酸)、癸酸(十酸)、月桂酸(十二酸)、十五烷酸、癸二酸等；
石蜡类，具体包括石蜡-58、石蜡-52、石蜡-54、石蜡-56等；
聚氧乙烯醚类，具体包括c16e2、brij-52、brij-56、brij-58、brij-58(r)、brij(r)-52、brij(r)-56、brij(r)-58等；
直链烷烃类，具体包括正十烷、正十四烷、正十六烷、正十八烷等；
结晶水合盐类，具体包括十水碳酸钠、十水硫酸钠、十二水磷酸氢钠、六水氯化钙、三水醋酸钠、五水硫代硫酸钠等；
可溶性相变材料的选择为以上材料中的一种或几种。
本发明的优点在于：
1)通过一步直接合成法开发一种新型多孔网络聚合物材料，该类多孔材料合成方法简单，产量大，后处理工艺方便、适合规模化生产；
2)该类多孔网络聚合物材料密度低，孔隙率大，耐热性能好。以此材料为载体得到的复合相变材料不但可以有效避免相变芯材泄露的问题，而且芯材选材广泛，储能密度高，循环稳定性好，适合不同温度区间储能及控温，应用范围广。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的多孔网络聚合物SBQD的扫描电镜照片。
图2为本发明实施例1中制备得到的多孔网络聚合物基复合相变材料PEG-6000@SBQD的扫描电镜照片。
图3为本发明实施例1中得到的负载不同质量百分比PEG-6000的多孔网络聚合物基复合相变材料PEG-6000@SBQD的红外图。
图4为本发明实施例2得到的多孔网络聚合物SBQDB的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。
配体四臂醛的制备：
称取2g(5.16mmol)季戊四溴、2.52g(20.6mmol)4-羟基苯甲醛和8.55g(61.9mmol)无水碳酸钾，加入到30ml的无水DMF中，边搅拌边升温至100℃，保温并剧烈搅拌72h，冷却至室温，利用旋转蒸发仪将大部分DMF除去，然后加入大量冰水溶解其中的K2CO3，用三氯甲烷分多次萃取产物，然后再用冰水反复洗涤直至溶液为浅黄色无色透明液体，将大部分三氯甲烷旋蒸掉，真空干燥，得到产物四臂醛。
实施例1
(1)多孔网络聚合物的制备：
将0.111g(0.2mmol)四臂醛和0.0433g(0.4mmol)对苯二胺加入到5mL的无水1,4-二氧六环中配制成均相溶液，向溶液中加入0.4mL的3M的醋酸溶液，分散均匀后密封放入到120℃的烘箱中，保温72h，冷却后过滤洗涤，在120℃下干燥24h后得到多孔网络聚合物材料SBQD，其SEM表征见图1。
(2)复合相变材料的制备：
将步骤(1)制备的0.0882g的多孔网络聚合物SBQD基材分散于20ml的含有0.5g的PEG-6000的乙醇中，待分散均匀后，在80℃下干燥24h，得到85wt％PEG-6000@SBQD多孔网络聚合物基复合相变材料。得到的PEG-6000@SBQD复合相变材料的扫描电镜图和红外图谱如图2和图3所示，从红外图中可看出，吸附相变材料后，在2871和950cm-1处可以明显看到聚乙二醇的亚甲基峰。通过差示扫描量热法(DSC)测量表征该复合相变材料，其潜热值高达164.92J/g。
实施例2
(1)多孔网络聚合物的制备：
将0.111g(0.2mmol)四臂醛和0.0793g(0.4mmol)4，4’-二氨基二苯基甲烷加入到5mL的无水1,4-二氧六环中配制成均相溶液，向溶液中加入0.4mL的3M的醋酸溶液，分散均匀后密封放入到120℃的烘箱中，保温48h，冷却后过滤洗涤，在150℃下干燥24h后得到多孔网络聚合物材料SBQDB，其SEM表征见图4。
(2)复合相变材料的制备：
将步骤(1)制备的0.0882g的多孔网络聚合物SBQDB基材分散于20ml的含有0.5g的十八酸的乙醇中，待分散均匀后，在90℃下干燥24h，得到85wt％十八酸@SBQDB多孔网络聚合物基复合相变材料。
实施例3
(1)多孔网络聚合物的制备：
将0.111g(0.2mmol)四臂醛和0.0545g(0.4mmol)2,5-二甲基对苯二胺加入到5mL的无水1,4-二氧六环中配制成均相溶液，向溶液中加入0.4mL的3M的醋酸溶液，分散均匀后密封放入到100℃的烘箱中，保温72h，冷却后过滤洗涤，在120℃下干燥24h后得到多孔网络聚合物材料SBQDJ。
(2)复合相变材料的制备：
将步骤(1)制备的0.0882g的多孔网络聚合物SBQDJ基材分散于20ml的含有0.5g的石蜡的三氯甲烷中，待分散均匀后，在65℃下干燥48h，得到石蜡@SBQDJ多孔网络聚合物基复合相变材料。
实施例4
(1)多孔网络聚合物的制备：
将0.111g(0.2mmol)四臂醛和0.102g(0.4mmol)4,4'-亚甲基双(2,6-二甲基苯胺)加入到5mL的无水1,4-二氧六环中配制成均相溶液，向溶液中加入0.4mL的3M的醋酸溶液，分散均匀后密封放入到120℃的烘箱中，保温48h，冷却后过滤洗涤，在120℃下干燥24h后得到多孔网络聚合物材料SBQDM。
(2)复合相变材料的制备：
将步骤(1)制备的0.0882g的多孔网络聚合物SBQDM基材分散于20ml的含有0.5g的Brij58的三氯甲烷中，待分散均匀后，在70℃下干燥24h，得到Brij58@SBQDM多孔网络聚合物基复合相变材料。
实施例5
(1)多孔网络聚合物的制备：
将0.111g(0.2mmol)四臂醛和0.138g(0.4mmol)α,α'-双(4-氨基苯基)-1,4-二异丙基苯加入到5mL的无水1,4-二氧六环中配制成均相溶液，向溶液中加入0.4mL的3M的醋酸溶液，分散均匀后密封放入到110℃的烘箱中，保温72h，冷却后过滤洗涤，在120℃下干燥24h后得到得到多孔网络聚合物材料SBQBB。
(2)复合相变材料的制备：
将步骤(1)制备的0.0882g的多孔网络聚合物SBQBB基材分散于20ml的含有0.5g的正十八烷的三氯甲烷中，待分散均匀后，在65℃下干燥72h，得到正十八烷@SBQBB多孔网络聚合物基复合相变材料。
实施例6
(1)多孔网络聚合物的制备：
将0.111g(0.2mmol)四臂醛和0.0793g(0.4mmol)4，4’-二氨基二苯基甲烷加入到5mL的无水1,4-二氧六环中配制成均相溶液，向溶液中加入0.4mL的3M的醋酸溶液，分散均匀后密封放入到120℃的烘箱中，保温72h，冷却后过滤洗涤，在120℃下干燥24h后得到多孔网络聚合物材料SBQDB。
(2)复合相变材料的制备：
将步骤(1)制备的0.0882g的多孔网络聚合物SBQDB基材分散于20ml的含有0.5g的十水碳酸钠的乙醇中，待分散均匀后，在80℃下干燥24h，得到85wt％十水碳酸钠@SBQDB多孔网络聚合物基复合相变材料。
Claims (10)
1.一种多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
1)多孔网络聚合物的制备
将四臂醛和二胺配体加入到溶剂中配制成均相溶液，向溶液中加入一定量的1～5M的醋酸溶液，分散均匀后密封放入到40～150℃的烘箱中，保温24-72h，冷却后过滤洗涤，在40～150℃下干燥2～72h后得到多孔网络聚合物材料，其中，四臂醛：二胺配体：酸的摩尔比为：1～50:1～50:0～10，其中四臂醛：二胺配体：酸的摩尔比不取1～50:1～50:0；
2)复合相变材料的制备
将步骤1)制备的多孔网络聚合物基材分散于10～50ml的含有可溶性相变材料的溶剂中，待分散均匀后，在40～500℃下干燥24～72h，得到多孔网络聚合物基复合相变材料，可溶性相变材料和多孔网络聚合物基体的质量比为1～100：1～100；
所述四臂醛的结构式为：
2.如权利要求1所述的多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的二胺配体包括对苯二胺、2,5-二甲基对苯二胺、2-氟-5-甲基-1,4-苯二胺、2-硝基对苯基二胺、2-氯-5-甲基-1,4-苯二胺、2,3,5,6-四甲基-1,4-苯二胺、3,4'-二氨基二苯基甲烷、4，4’-二氨基二苯基甲烷、4,4'-二氨基二苯甲酮、4,4'-二氨基-3,3'-二甲基二苯甲烷、2,2-双(4-氨基苯基)丙烷、4,4'-亚甲基双(2,6-二甲基苯胺)、4-(4-氨基-2,5-二甲基苄基)-2,5-二甲基苯胺、1,1-双(4-氨基苯基)环己烷、4,4'-亚甲基双(2-乙基-6-甲基苯胺)、4,4'-亚甲基双(2,6-二乙基苯胺)、α,α'-双(4-氨基苯基)-1,4-二异丙基苯、1,4-亚苯基二[[4-(4-氨基苯氧基)苯基]甲酮]中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)所述溶剂包括无水乙醇、无水甲醇、水、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、乙腈、甲苯、1,4二氧六环、N,N二甲基甲酰胺、N,N二乙基甲酰胺中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法，其特征在于，步骤2)所述的可溶性相变材料为以下所列材料的一种或几种：
多元醇类、脂肪酸类、石蜡类、聚氧乙烯醚类、直链烷烃类和结晶水合盐类。
5.如权利要求4所述的多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述多元醇类为平均分子量为1000-20000的聚乙二醇、季戊四醇或新戊二醇。
6.如权利要求4所述的多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述脂肪酸类为硬脂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、癸酸、月桂酸、十五烷酸或癸二酸。
7.如权利要求4所述的多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述石蜡类为石蜡-58、石蜡-52、石蜡-54或石蜡-56。
8.如权利要求4所述的多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述聚氧乙烯醚类为c16e2、brij-52、brij-56或brij-58。
9.如权利要求4所述的多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述直链烷烃类为正十烷、正十四烷、正十六烷或正十八烷。
10.如权利要求4所述的多孔网络聚合物基复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述结晶水合盐类为十水碳酸钠、十水硫酸钠、十二水磷酸氢钠、六水氯化钙、三水醋酸钠或五水硫代硫酸钠。
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