CN105238357A - 一种网络半互穿型固-固相变材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种网络半互穿型的固-固相变材料及该材料的制备方法。本发明主要组成成分包括:聚乙二醇(PEG)、丙烯酰胺(AM)、亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、引发剂和催化剂,将以上组分按比例添加,采用化学交联法制备得到具有三维网状结构的聚丙烯酰胺(PAM)为支撑材料,以贯穿于其中的PEG为相变材料的新型网络半互穿固-固相变材料。该相变具有较高的相变潜热,合适的相变温度和较好的热稳定性。该新型相变材料克服了传统相变材料相变时容易泄露的缺点,无需封装即可保持稳定的形状,且制备方法简便,成本低廉。该固-固相变储能材料有望用于建筑节能材料、太阳能存储和释放以及蓄热调温服装等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚乙二醇/聚丙烯酰胺网络半互穿复合定形相变材料,具体说是一种形状稳定的固-固相变材料,且具有合适的相变温度、较高的潜热、良好的热稳定性的相变材料,并涉及该材料的制备方法。
背景技术
能源是人类赖以生存和发展的基础,随着人类对能源的需求日益增加,对于新能源的开发,节能技术的研究及储能新材料的研究越来越受到人们的重视,对能源的利用率提出了越来越高的要求。储能材料就是具有能量存储功能的材料,它可以对工业余热进行回收利用,也可以存储太阳能等可再生能源,这些都显著地提高了对能源的利用率。
相变材料(PhaseChangeMaterial,PCM)是一种潜热型储能材料,具有较高的储能密度,良好的化学稳定性,无毒且研究技术较为成熟,使用装置简单,设计简单便于管理,并且该类材料在相变过程中温度变化小。这种材料在相变过程中是以自身体系与外界环境的温度差为推动力,主动吸收或者释放热量,以此来实现储、放热功能,从而就可以达到调节周围环境温度和节约能源的目的。
相变材料中应用最多的属于固-液、固-固相变储能材料。传统的固-固相变材料主要通过晶体有序-无序结构转变进行可逆吸、放热,主要包括有机、无机、金属与合金等几类。该类相变材料的在相变过程中不存在过冷和相分离,体积变化小,不易泄漏所以也不需要容器封装,同时这种相变材料性能稳定,重复使用率高,低毒甚至无毒,腐蚀性小,易于加工成型。但由于自身的相变潜热较低、经济成本高而应用受限。固-液相变储热材料经济性好,来源广泛等优势让其推广应用很快,但是其较为严重过冷和相分离现象会降低热性能,同时长时间使用会导致泄漏、污染环境等问题,这些又会增加其使用成本,所以需要将其与其他材料进行复合,以提高综合性能。固-液相变储热材料经济性好,来源广泛等优势让其推广应用很快,这也是本课题研究中应用的主要储热材料,但是其较为严重过冷和相分离现象会降低热性能,同时长时间使用会导致泄漏、污染环境等问题,这些又会增加其使用成本,所以需要将其与其他材料进行复合,以提高综合性能。
聚乙二醇(PEG)是一种常见相变材料,由-(CH2-CH2-O)n-组成的长链大分子,结晶性好且具有较大的相变潜热,聚乙二醇的相变温度在常温范围内。交联聚丙烯酰胺具有三维网状结构,且分子链上有较多的酰胺基团,可以与聚乙二醇端羟基(-OH)或主链上醚键(C-O-C)中的氧原子形成物理氢键。我们采用化学交联的方法可以制备出聚丙烯酰胺作为结构骨架,以聚乙二醇为相变储热材料,使其在丙烯酰胺交联过程中形成网路半互穿结构,从而使其具有固-固相变性能。PEG链由于微相分离形成的结晶微区当它发生从结晶态到无定形态间的相转变时,可以实现储放热的功能,而且分子间的物理氢键将聚乙二醇大分子牢牢地束缚在聚丙烯酰胺的三维交联网状中,从而失去了原有的宏观流动性,所以该材料是一种形状稳定的固-固相变材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型聚乙二醇/聚丙烯酰胺网络半互穿固-固相变材料,该相变材料形状稳定,共混物有合适的相变温度、潜热、良好的热可靠性和化学稳定性。
本发明的另一个目的是提供一种上述相变材料的制备方法,该制备方法工艺简单,成本低。
为了实现上述目的,本发明按如下的方式来实现:本发明所属的聚乙二醇/聚丙烯酰胺网络半互穿固-固相变材料包括聚乙二醇(PEG)、丙烯酰胺(AM)、交联剂、引发剂和催化剂;其中,各组分间的配比为:
所述聚乙二醇与丙烯酰胺单体的质量比在9∶1到5∶5之间;
所述交联剂占聚乙二醇和丙烯酰胺总质量的3~5%;
所述引发剂与丙烯酰胺质量比为的1/20~3/20;
所述催化剂与聚乙二醇和丙烯酰胺总质量的比为70~80μL/g;
所用溶剂为去离子水,与聚乙二醇和丙烯酰胺总质量的比为10/1~15/1。
所述聚乙二醇分子量在600-20000之间。
所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)。
所述引发剂可以是过硫酸钾(KPS)、过硫酸铵(APS)或过硫酸钠(NaPS)中的一种。
所用催化剂可以是N,N,N’,N’-四甲基二乙胺(TEMED)、N,N-二甲基环己胺(DMCHA),三乙烯二胺(TED)中的一种。
其制备方法按下述步骤进行:
1)交联剂MBA提纯:溶于60℃乙醇溶液→热抽滤→滤液冷冻24小时→冷抽滤→将漏斗内的剩余物室温真空干燥至恒重;
2)聚乙二醇室温真空干燥24小时;
3)丙烯酰胺精制:于42℃丙酮溶液中溶解→热抽滤→滤液冷冻24小时→冷抽滤→将漏斗内的剩余物真空干燥至恒重;
4)将精制后的丙烯酰胺和烘干后的聚乙二醇溶于去离子水中,磁力搅拌10~20min,使其充分溶解;随后加入交联剂,磁力搅拌20~30min,确保交联剂在溶液中分散均匀;
5)在上述反应溶液中加入引发剂,充分溶解后加入催化剂,反应15~30秒立即注入准备好的模具,常温下放置48小时,使原料充分发生交联,再室温真空干燥24小时,即可得到相应配比的聚乙二醇/聚丙烯酰胺半互穿固-固相变材料。
本发明具有如下有益技术效果:相变焓高,相变温度合适,聚乙二醇熔点温度以上几乎无泄露,热稳定性好,制备方法简单且成本低等优点。
具体实施方式:
实验之前,需要对丙烯酰胺、交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)分别进行提纯并干燥,并对聚乙二醇(平均分子量2000,PEG2000)真空干燥24h;
实施例1:
1)取0.3g精制后的丙烯酰胺和0.7g烘干后的PEG2000,磁力搅拌15分钟使其充分溶解,加入0.3g交联剂MBA,磁力搅拌20min;
2)加入0.03g引发剂过硫酸钾(KPS),溶解后加入催化剂N,N,N’,N’-四甲基二乙胺(TEMED)21μL,反应20s后立即注入准备好的模具,常温下放置48h,再真空干燥24h即可。
实施例2:
1)取0.4g精制后的丙烯酰胺和烘干后的0.6gPEG2000,磁力搅拌15min使其充分溶解,加入0.3g交联剂MBA,继续搅拌15min;
2)向上述混合溶液中加入0.04g引发剂KSP,溶解后加入催化剂TEMED32μL,反应20s后立即注入准备好的模具,常温下放置48h,再真空干燥24h即可;
实施例3:
1)取0.5g精制后的丙烯酰胺和烘干后的0.5gPEG2000,充分溶解后加入0.3g交联剂MBA,继续搅拌20min;
2)加入引发剂KSP0.05g,溶解后加入N,N,N’,N’-四甲基二乙胺(TEMED)40μL,反应20s后立即注入准备好的模具,常温下放置48h,再真空干燥24h即可。
Claims (6)
1.一种新型聚乙二醇/聚丙烯酰胺网络半互穿固-固相变材料,其特征在于:主要成分包括聚乙二醇(PEG)、丙烯酰胺(AM)、交联剂、引发剂和催化剂;其中,
聚乙二醇与丙烯酰胺单体的质量比在9∶1到5∶5之间;
所述交联剂占聚乙二醇和丙烯酰胺总质量的3~4%;
所述引发剂与丙烯酰胺质量比为的1/20~3/20;
所述催化剂与聚乙二醇和丙烯酰胺总质量的比为70~80μL/g;
所用溶剂为去离子水,与聚乙二醇和丙烯酰胺总质量的比为10/1~15/1。
2.根据权利要求1所述的一种新的聚乙二醇/聚丙烯酰胺网络半互穿固-固相变材料,其特征在于:所述聚乙二醇分子量在600-20000之间。
3.根据权利要求1所述的一种新的聚乙二醇/聚丙烯酰胺网络半互穿固-固相变材料,其特征在于:所述催化剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)。
4.根据权利要求1所述的一种新的聚乙二醇/聚丙烯酰胺网络半互穿固-固相变材料,其特征在于:所述引发剂可以是过硫酸钾(KPS)、过硫酸铵(AKPS)或过硫酸(NaPS)中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种新的聚乙二醇/聚丙烯酰胺网络半互穿固-固相变材料,其特征在于:所用催化剂可以是N,N,N’,N’-四甲基二乙胺(TEMED)、N,N-二甲基环己胺(DMCHA),三乙烯二胺(TED)中的一种。
6.根据权利要求1所述的聚乙二醇/聚丙烯酰胺网络半互穿固-固相变材料,其特征在于:其制备方法按下述步骤进行:
1)交联剂提纯;于60℃乙醇溶液中溶解→热抽滤→滤液冷冻24h→冷抽滤→将漏斗内的剩余物室温真空干燥至恒重;
2)聚乙二醇室温真空干燥24h;
3)丙烯酰胺精制:于42℃丙酮溶液中溶解→热抽滤→滤液冷冻24h→冷抽滤→将漏斗内的剩余物真空干燥至恒重;
4)将精制后的丙烯酰胺和烘干后的聚乙二醇溶于去离子水中,磁力搅拌10~20min,使其充分溶解;随后加入交联剂,磁力搅拌20~30min,确保交联剂在溶液中分散均匀;
5)在上述反应溶液中加入引发剂,充分溶解后加入催化剂,反应15~30s立即注入准备好的模具,常温下放置48h,使原料充分发生交联,再真空干燥24h;即可得到相应配比的聚乙二醇/聚丙烯酰胺半互穿固-固相变材料。
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