CN109517221A - 纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材料、其制备方法及应用 - Google Patents

纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材料、其制备方法及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN109517221A
CN109517221A CN201811334343.6A CN201811334343A CN109517221A CN 109517221 A CN109517221 A CN 109517221A CN 201811334343 A CN201811334343 A CN 201811334343A CN 109517221 A CN109517221 A CN 109517221A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cellulose
nanometer sheet
graphene nanometer
preparation
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811334343.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109517221B (zh
Inventor
王勇
金鑫铮
祁晓东
杨静晖
黄婷
张楠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN201811334343.6A priority Critical patent/CN109517221B/zh
Publication of CN109517221A publication Critical patent/CN109517221A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109517221B publication Critical patent/CN109517221B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/28—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof by elimination of a liquid phase from a macromolecular composition or article, e.g. drying of coagulum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/08—Materials not undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/14—Solid materials, e.g. powdery or granular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B5/00—Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat
    • F26B5/04—Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat by evaporation or sublimation of moisture under reduced pressure, e.g. in a vacuum
    • F26B5/06—Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat by evaporation or sublimation of moisture under reduced pressure, e.g. in a vacuum the process involving freezing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2301/00—Characterised by the use of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08J2301/02—Cellulose; Modified cellulose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/042—Graphene or derivatives, e.g. graphene oxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开了纤维素‑石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材料、其制备方法及应用，涉及发热材料技术领域。纤维素‑石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法，采用纤维素和石墨烯形成水凝胶，复合气凝胶是由纤维素和石墨烯纳米片相互堆积形成自上而下的具有高度取向排列的类砖网结构。纤维素‑石墨烯纳米片复合相变材料及其制备方法，其通过在上述纤维素‑石墨烯纳米片复合气凝胶中灌装入熔融的灌装材料后冷却、干燥即得。上述纤维素‑石墨烯纳米片复合相变材料可以制作成发热元件，具备的优点很多，如实现电控和超远距离光控、形状易于二次加工、节能、切断控制电路后恒温时间长等。

Description

纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材 料、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及发热材料技术领域，且特别涉及纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材料、其制备方法及应用。
背景技术
现有的恒温器恒温元件多为电阻型(电热合金、电热线、电热板、电热带)，半导体型(PTC、MCH陶瓷发热体)以及微波加热型(微波加热装置、电磁感应热装置)。一般是控制系统通过不间断调控控制信号来调整控温元件温度。
但是，现有的恒温器恒温元件具备以下缺点：(1)配合现有的控温元件所需要的控制系统比较的复杂，并且控制方式单一。(2)现有的恒温元件不能实现超远距离，超低功耗的精准控温。(3)现有的所有加热元件必须在通电的条件下才能维持温度恒定。(4)现有的恒温元件使用的是金属或者无机半导体材料，生产过程会产生大量的污染，同时废旧元件难以回收处理，同时生产成本高，良品率低。(5)现有恒温元件能耗比较大。(6)现有的恒温元件很难进行二次加工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法，旨在利用纤维素和石墨烯纳米片形成的具备取向结构的气凝胶提高发热元件的性能。
本发明的另一目的在于提供一种纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料及其制备方法，旨在利用纤维素和石墨烯纳米片形成具备取向结构的相变材料，具备很好的光诱导和电诱导热转变及热存储性能。
本发明的第三目的在于提供上述纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料在制备发热元件中的应用，该发热元件能够满足具备多个恒定温度的需求。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出了一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶，复合气凝胶是由纤维素和石墨烯纳米片相互堆积形成自上而下的具有高度取向排列的类砖网结构。
本发明还提出一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
将纤维素、石墨烯纳米片和LiBr水溶液混合溶解后，进行冷却以形成凝胶初料；
将凝胶初料进行冷冻30-60min后，再经过冷冻干燥；
其中，纤维素和石墨烯的质量比为3:1-5。
本发明还提出一种纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料，在上述纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶中灌装有灌装材料；
其中，灌装材料选自高级脂肪烃、多元醇类和脂肪酸及其衍生物中的任意一种或多种；
高级脂肪烃选自石蜡、正二十烷、正十八烷和正十七烷中的任意一种或多种；
多元醇类选自聚乙二醇、丁四醇和十八醇中的任意一种或多种；
脂肪酸及其衍生物选自软脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕榈酸中的任意一种或多种。
本发明还提出一种纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料的制备方法，包括如下步骤：
制备纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶；
将纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶与熔融的灌封材料混合，在75-85℃的温度条件下真空干燥10-15h，再冷却。
本发明还提出上述纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料在制备发热元件中的应用。
本发明实施例提供一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶的有益效果是：其采用纤维素和石墨烯形成水凝胶，复合气凝胶是由纤维素和石墨烯纳米片相互堆积形成自上而下的具有高度取向排列的类砖网结构。具备取向结构的复合气凝胶具备很好的导热导电性能，在石墨烯用量很少的情况下达到高性能定向导热导电。
本发明还提供了一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶的制备方法，其通过将纤维素和石墨烯纳米片溶解后进行骤冷形成凝胶，在经过冷冻30-60min后形成具备取向结构的水凝胶，再经过冷冻干燥后形成复合气凝胶，方法简便易行。
本发明还提供了纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料及其制备方法，其通过在上述纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶中灌装入熔融的灌装材料后干燥、冷却即得。该相变材料具备很好的导热、导电性能，同时具备热能转换，热能存储、缓释的能力。
上述纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料可以制作成发热元件，具备的优点很多，如实现电控和超远距离光控、节能、形状易于二次加工、切断控制电路后恒温时间长等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例得到气凝胶的结构测试图；
图2为本发明实施例制备得到的加热元件；
图3为本发明实施例得到加热元件激光控制测试原理图；
图4为本发明实施例得到加热元件激光控制的升温降温曲线；
图5为本发明实施例得到加热元件通电控制原理图；
图6为本发明实施例得到加热元件通电控制的升温降温曲线；
图7为本发明实施例得到加热元件升温测试结果图；
图8为本发明实施例得到加热元件的降温测试结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材料、其制备方法及应用进行具体说明。
本发明实施例提供的一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶，复合气凝胶是由纤维素和石墨烯纳米片相互堆积形成自上而下的具有高度取向排列的类砖网结构。发明人通过选择纤维素作为骨架材料具备很好的封装性能，使石墨烯可以在用量很少的情况下形成具备定向导热导电的性能。
具体地，类砖网结构也称网状结构，其是材料之间堆砌而成。
本发明实施例提供的一种纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料，在上述纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶中灌装有灌装材料，将灌装材料灌装入复合气凝胶中形成相变材料，具备很好的导热导电性能，同时具备热能转换，热能存储、缓释的能力。
下面对本发明实施例提供的一种纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料的制备方法进行具体说明，包括以下步骤：
S1、纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶的制备
本发明实施例提供的一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：将纤维素、石墨烯和LiBr水溶液混合溶解后，进行冷却以形成凝胶初料；将凝胶初料进行冷冻30-60min后，再经过冷冻干燥；其中，纤维素和石墨烯的质量比为3:1-5。
需要说明的是，其通过将纤维素和石墨烯纳米片溶解后进行骤冷形成凝胶，在经过冷冻30-60min后形成具备取向结构的水凝胶，再经过冷冻干燥后形成复合气凝胶，方法简便易行。采用纤维素为骨架材料具备很好的封装性能，能够使石墨烯纳米片在很少的用量情况下达到很好的定向导热和导电性能。
具体地，凝胶初料的冷冻过程是在液氮蒸汽中进行，经过约40min左右的冷冻纤维素分子和石墨烯纳米片形成具有取向结构的水凝胶，从而具备定向导热导电的效果。水凝胶经过冷冻干燥后制备得到气凝胶，冷冻干燥时间为45-55h。
具体地，LiBr水溶液的浓度为2-5g/mL，LiBr水溶液的浓度过低不能性能水凝胶，浓度过大会引入大量杂质，不利于后期去除。
优选地，在凝胶初料进行冷冻之前，将凝胶初料进行离子交换处理；优选地，离子交换处理的时间为2-4天。采用离子交换的方式对凝胶初料进行处理可以有效去除凝胶中的LiBr。
具体地，LiBr水溶液、纤维素和石墨烯混合的过程是在115-125℃的温度条件下搅拌30-40min，适当延长混合时间可以有助于纤维素和石墨烯纳米片的混合均匀。
S2、灌装
根据工艺要求的相变温度，将灌装材料灌装入纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶中形成相变材料。在复合相变材料中石墨烯的质量约为1.51％，在整体材料中用量较少就能达到定向导热导电的性能。
具体地，将纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶与熔融的灌封材料混合，在75-85℃的温度条件下真空干燥10-15h，再冷却。纤维素提供了良好的封装性能，使最终得到的相变材料中石墨烯纳米片的含量在1.51％时就能具有定向导电导热的性能。
灌装材料可以根据恒温元件的恒温温度需求进行调节，如PEG(聚乙二醇)，其相变温度为45摄氏度，因此制得的恒温元件在45摄氏度温度范围内有良好保温性能。而不同分子量的石蜡对应不同的相变温度(分子量较高的相变温度高)，因此可以根据元件所需求的恒温温度来选择所灌装的石蜡种类。具体地，灌装材料选自高级脂肪烃、多元醇类和脂肪酸及其衍生物中的任意一种或多种；高级脂肪烃选自石蜡、正二十烷、正十八烷和正十七烷中的任意一种或多种；多元醇类选自聚乙二醇、丁四醇和十八醇中的任意一种或多种；脂肪酸及其衍生物选自软脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕榈酸中的任意一种或多种。
在一些实施例中，也可以选择多种灌封材料，以使最终制备的加热元件具备多个恒定温度，满足工艺需求。
根据上述工艺制备得到的纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料可以用于制备发热元件。发明人发现，本发明实施例制备得到的相变材料非常适合于制备发热元件，制备得到的发热元件具备如下优点：(1)同时满足电控和光控，可以利用激光实现超远距离，超低功耗控制。同时整个控制系统非常简单。(2)本技术设计的发热元件可以通过常规的切削加工等方式加工成任意形状，直接嵌入到控制系统中，发热均匀无延迟。(3)本技术设计的发热元件在到达恒定温度(相变材料相变温度)前，升温速率很快，接近恒定温度的时候升温速率变得很慢，控制系统的控制非常方便，同时在切断控制电路以及控制光路后依然能保持相当长时间的恒定温度。这是其他恒温器件所不能做到的。(4)相比于传统发热体所使用的金属以及无机非金属半导体材质不同的是，本技术所使用的是有机相变材料作为恒温元件，来源丰富，价格低廉，同时废旧元件可以无害化降解。生产成本低廉，良品率高。(5)通过更改相变材料的种类，理论上可以实现发热元件实现任意温度的恒温控制，这是传统陶瓷发热体难以达到的。
具体地，利用相变材料制备发热元件的方法包括以下步骤：将相变材料加工成形后，在相变材料垂直取向方向上的两个平面上涂覆银漆；用金属箔片或导电聚合物薄膜粘附在涂覆有银漆的表面。发热元件的制备过程属于现有技术，在此不做过多赘述。金属箔片可以采用铜箔，金箔，银箔、锡箔等具有良好导电性能的材料；导电聚合物薄膜可以为聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等常用薄膜材料(包括聚合物薄膜及其复合薄膜材料)。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
将纤维素、石墨烯纳米片和LiBr水溶液在115℃的温度条件下搅拌约30min至溶解后，在常温下骤冷以形成凝胶初料；其中，纤维素和石墨烯纳米片的质量比为3:1，LiBr水溶液的浓度为2g/mL。
将凝胶初料进行离子交换2天后，将凝胶初料在液氮蒸气中冷冻30min，再经过冷冻干燥45h。
实施例2
本实施例提供一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
将纤维素、石墨烯纳米片和LiBr水溶液在125℃的温度条件下搅拌约40min至溶解后，在常温下骤冷以形成凝胶初料；其中，纤维素和石墨烯纳米片的质量比为3:5，LiBr水溶液的浓度为5g/mL。
将凝胶初料进行离子交换4天后，将凝胶初料在液氮蒸气中冷冻60min，再经过冷冻干燥55h。
实施例3
本实施例提供一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
将纤维素、石墨烯纳米片和LiBr水溶液在120℃的温度条件下搅拌约35min至溶解后，在常温下骤冷以形成凝胶初料；其中，纤维素和石墨烯纳米片的质量比为3:2，LiBr水溶液的浓度为3g/mL。
将凝胶初料进行离子交换3天后，将凝胶初料在液氮蒸气中冷冻50min，再经过冷冻干燥50h。
实施例4
本实施例提供一种纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料的制备方法，其包括以下步骤：
依照实施例3中的方法制备纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶，然后将纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶与熔融的聚乙二醇混合，在75℃的温度条件下真空干燥10h，再自然冷却。
实施例5
本实施例提供一种纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料的制备方法，其包括以下步骤：
依照实施例3中的方法制备纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶，然后将纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶与熔融的乙二醇混合，在85℃的温度条件下真空干燥15h，再自然冷却。
实施例6
本实施例提供一种发热元件的制备方法，其包括以下步骤：
将实施例4中制备得到的纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料加工成圆形后，在相变材料垂直取向方向上的两个平面上涂覆银漆；用铝箔粘附在涂覆有银漆的表面。
对比例1
本对比例提供一种相变材料的制备方法，其包括以下步骤：其与实施例4的不同之处在于，将纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶替换为氧化石墨烯-石墨烯纳米片气凝胶。其中，氧化石墨烯-石墨烯纳米片气凝胶的制备方法参见：Tang Z,Kang H,Shen Z,Guo B,Zhang L,Jia D.Grafting of Polyester onto Graphene for Electrically andThermally Conductive Composites.Macromolecules.2012；45:3444-51。
对比例2
本对比例提供一种相变材料的制备方法，其包括以下步骤：其与实施例4的不同之处在于，将纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶替换为磺化石墨烯。参照文献：Li H,Jiang M,Li Q,Li D,Chen Z,Hu W,et al.Aqueous preparation of polyethylene glycol/sulfonated graphene phase change composite with enhanced thermalperformance.Energ Convers Manage.2013；75:482-7。
对比例3
本对比例提供一种相变材料的制备方法，其包括以下步骤：其与实施例4的不同之处在于，将纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶替换为纤维素-石墨烯气凝胶。参照文献：YangJ,Zhang E,Li X,Zhang Y,Qu J,Yu Z-Z.Cellulose/graphene aerogel supported phasechange composites with high thermal conductivity and good shape stability forthermal energy storage.Carbon.2016；98:50-7。
对比例4
本对比例提供一种相变材料的制备方法，其包括以下步骤：其与实施例4的不同之处在于，将纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶替换为膨胀石墨烯。参照文献：Li Y,Wu M,LiuR,Huang Y.Cellulose-based solid-solid phase change materials synthesized inionic liquid.Sol Energ Mat Sol C.2009；93:1321-8。
试验例1
采用扫描电镜的形式，对实施例3和实施例4中制备得到的产品进行表征，结果见图1。
图1中a1、a2、a3为纤维素-石墨烯纳米片气凝胶的取向结构扫描电镜图；a4为取向结构示意图；b1、b2、b3相变复合材料扫描电镜图；b4为相变材料微观结构示意图。
由图中a1-a4可知，复合气凝胶是由纤维素和石墨烯纳米片相互堆积形成自上而下的具有高度取向排列的类砖网结构。复合气凝胶的取向结构与冷冻过程温度梯度相适应，使其沿着取向方向具备极高的导热导电性能。
由图中b1-b4可知，经过封装后的相变材料形成了以纤维素和石墨烯纳米片为骨架结构，并在骨架中填充封装材料的结构。
试验例2
采用常规的方法测试实施例4和对比例1-4中相变材料的导热系数和保持率RLF(表征封装性能)，结果见表1。
表1相变材料性能测试结果
组别 填充材料(wt％) 导热系数(W/mK) R<sub>LH</sub>(％)
实施例4 1.51 1.03 99.84
对比例1 2.25 1.43<sup>b</sup> 103.45
对比例2 4 1.042<sup>a</sup> 87.1
对比例3 5.3 1.35<sup>a</sup> 87.30
对比例4 10 0.8<sup>b</sup> 62.0
a表示Laser Flash method；b表示Transient Hot-Disk method；c表示TransientHot-Wire method,and d:Steady-state Method。
由表1可知，采用本发明实施例提供的石墨烯纳米片和纤维素为原料制备得到的相变材料具备很好的导热性能和封装性能，在填充含量很少的情况下能够具备很好的导热性能。
试验例3
测试实施例6中制备得到的加热元件见图2，测试该加热元件用于激光控制的升降温曲线，测试原理见图3，测试结果见图4。测试方法：光源与材料保持一定距离，加热元件放置于光源的正下方，开启光源的同时记录加热元件的温度随时间的变化值，待加热元件到达80摄氏度后关闭光源，直到加热元件温度降回到室温时结束记录。
测试实施例6中制备得到的加热元件用于通电控制的升降温曲线，测试原理见图5，测试结果见图6。测试方法：加热元件与六节干电池相连，接通电源的同时记录加热元件的温度随时间的变化值，待加热元件到达80摄氏度后断开电源，直到加热元件温度降回到室温时结束记录。
从图4和图6可知看出，发热元件在到达恒定温度(相变材料相变温度)前，升温速率很快，接近恒定温度的时候升温速率变得很慢，控制系统的控制非常方便；同时在切断控制电路以及控制光路后依然能保持相当长时间的恒定温度。此种性能这是其他恒温器件所不能做到的。
结合图7和图8的实验过程，加热电压为10V，电流为0.24A的条件下，图7为通电后的加热过程(开始时温度为26.9℃，4分37秒时温度为40.0℃，17分25秒时温度为50.0℃)，开始时升温速率很快，接近恒定温度后升温速率很缓慢。图8中上方三图为没有发热元件的测试结果(开始时温度为50.0℃，2分30秒时为40.0℃，9分30秒时为30.0℃)，下方三图为有发热元件的测试结果(开始时温度为50.0℃，2分30秒时为48.4℃，9分30秒时为41.1℃)，从图中数据可知：有发热元件时降温速率明显低于无发热元件时的降温速率。
综上所述，本发明提供的一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法，其采用纤维素和石墨烯形成水凝胶，纤维素和石墨烯纳米片相互堆积形成高度取向结构的多孔气凝胶，纤维素分子起到骨架作用。具备取向结构的复合气凝胶具备很好的导热导电性能，在石墨烯用量很少的情况下达到定向导热导电。
本发明还提供了纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料及其制备方法，其通过在上述纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶中灌装入熔融的灌装材料后干燥、冷却即得。该相变材料具备很好的导热、导电性能，同时具备热能转换，热能存储、缓释的能力。
上述纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料可以制作成发热元件，具备的优点很多，如实现电控和超远距离光控、形状易于二次加工、节能、切断控制电路后恒温时间保持时间长等。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶，其特征在于，所述复合气凝胶是由纤维素和石墨烯纳米片相互堆积形成自上而下的具有高度取向排列的类砖网结构。
2.根据权利要求1所述的纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将纤维素、石墨烯纳米片和LiBr水溶液混合溶解后，进行冷却以形成凝胶初料；
将所述凝胶初料进行冷冻30-60min后，再经过冷冻干燥；
其中，所述纤维素和所述石墨烯纳米片的质量比为3:1-5。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述LiBr水溶液的浓度为2-5g/mL。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述凝胶初料进行冷冻之前，将所述凝胶初料进行离子交换处理；
优选地，所述离子交换处理的时间为2-4天。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述凝胶初料的冷冻过程是在液氮蒸汽中进行，所述冷冻干燥时间为45-55h。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述LiBr水溶液、所述纤维素和所述石墨烯纳米片混合的过程是在115-125℃的温度条件下搅拌30-40min。
7.一种纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料，其特征在于，在权利要求1所述的纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶中灌装有灌装材料；
其中，所述灌装材料选自高级脂肪烃、多元醇类和脂肪酸及其衍生物中的任意一种或多种；
所述高级脂肪烃选自石蜡、正二十烷、正十八烷和正十七烷中的任意一种或多种；
所述多元醇类选自聚乙二醇、丁四醇和十八醇中的任意一种或多种；
所述脂肪酸及其衍生物选自软脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕榈酸中的任意一种或多种。
8.根据权利要求7所述的纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据权利要求2-6中所述的制备方法制备所述纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶；
将所述纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶与熔融的灌封材料混合，在75-85℃的温度条件下真空干燥10-15h，再冷却。
9.根据权利要求7所述的纤维素-石墨烯纳米片复合相变材料在制备发热元件中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，利用所述相变材料制备发热元件的方法包括以下步骤：
将所述相变材料加工成形后，在所述相变材料垂直取向方向上的两个平面上涂覆银漆；
用金属箔片或导电聚合物薄膜粘附在涂覆有银漆的表面。
CN201811334343.6A 2018-11-09 2018-11-09 纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材料、其制备方法及应用 Active CN109517221B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811334343.6A CN109517221B (zh) 2018-11-09 2018-11-09 纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材料、其制备方法及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811334343.6A CN109517221B (zh) 2018-11-09 2018-11-09 纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材料、其制备方法及应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109517221A true CN109517221A (zh) 2019-03-26
CN109517221B CN109517221B (zh) 2020-08-07

Family

ID=65773441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811334343.6A Active CN109517221B (zh) 2018-11-09 2018-11-09 纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材料、其制备方法及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109517221B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110499145A (zh) * 2019-08-26 2019-11-26 张立强 气凝胶吸附相变储能粉体、制备方法及其应用
CN110746937A (zh) * 2019-10-14 2020-02-04 东华大学 一种氮化硼/纤维素封装的热导增强定形相变材料
CN110773003A (zh) * 2019-11-11 2020-02-11 清华大学 垂直取向石墨烯/纳米纤维复合膜材料及其制备方法和应用
CN110964233A (zh) * 2019-12-19 2020-04-07 西南交通大学 具有取向结构的氧化石墨烯增强纤维素基材料及制备方法
CN112357910A (zh) * 2020-10-12 2021-02-12 深圳烯创先进材料研究院有限公司 一种定向石墨烯复合宏观体的制备方法
CN113265228A (zh) * 2021-04-26 2021-08-17 西南交通大学 一种多能源驱动定形相变材料及其制备方法
CN113976050A (zh) * 2021-11-05 2022-01-28 广西科技师范学院 一种磁性纤维素-氧化石墨烯高吸附性气凝胶的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102443180A (zh) * 2011-09-15 2012-05-09 复旦大学 一种制备纤维素复合气凝胶的方法
CN107118394A (zh) * 2017-05-22 2017-09-01 上海大学 一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102443180A (zh) * 2011-09-15 2012-05-09 复旦大学 一种制备纤维素复合气凝胶的方法
CN107118394A (zh) * 2017-05-22 2017-09-01 上海大学 一种纤维素塑料/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JING YANG 等: "Cellulose/graphene aerogel supported phase change composites with high thermal conductivity and good shape stability for thermal energy storage", 《CARBON》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110499145A (zh) * 2019-08-26 2019-11-26 张立强 气凝胶吸附相变储能粉体、制备方法及其应用
WO2021035819A1 (zh) * 2019-08-26 2021-03-04 张立强 气凝胶吸附相变储能粉体、制备方法及其应用
CN110746937A (zh) * 2019-10-14 2020-02-04 东华大学 一种氮化硼/纤维素封装的热导增强定形相变材料
CN110773003A (zh) * 2019-11-11 2020-02-11 清华大学 垂直取向石墨烯/纳米纤维复合膜材料及其制备方法和应用
CN110773003B (zh) * 2019-11-11 2021-08-24 清华大学 垂直取向石墨烯/纳米纤维复合膜材料及其制备方法和应用
CN110964233A (zh) * 2019-12-19 2020-04-07 西南交通大学 具有取向结构的氧化石墨烯增强纤维素基材料及制备方法
CN110964233B (zh) * 2019-12-19 2021-02-26 西南交通大学 具有取向结构的氧化石墨烯增强纤维素基材料及制备方法
CN112357910A (zh) * 2020-10-12 2021-02-12 深圳烯创先进材料研究院有限公司 一种定向石墨烯复合宏观体的制备方法
CN113265228A (zh) * 2021-04-26 2021-08-17 西南交通大学 一种多能源驱动定形相变材料及其制备方法
CN113976050A (zh) * 2021-11-05 2022-01-28 广西科技师范学院 一种磁性纤维素-氧化石墨烯高吸附性气凝胶的制备方法
CN113976050B (zh) * 2021-11-05 2023-09-22 广西科技师范学院 一种磁性纤维素-氧化石墨烯高吸附性气凝胶的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109517221B (zh) 2020-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109517221A (zh) 纤维素-石墨烯纳米片复合气凝胶及其制备方法、以及相变材料、其制备方法及应用
Cui et al. A thermally insulating textile inspired by polar bear hair
Xue et al. Preparation and application of three-dimensional filler network towards organic phase change materials with high performance and multi-functions
CN105062430A (zh) 一种聚乙二醇/二氧化硅/膨胀石墨复合定形相变材料的制备方法
Biesuz et al. Thermally-insulated flash sintering
CN105489813B (zh) 一种针对干法锂电隔膜的热处理方法
CN109320743A (zh) 聚偏氟乙烯薄膜的制备方法
CN109244324A (zh) 热交联聚丙烯酸/聚乙烯醇填充的细菌纤维素复合隔膜
CN109021930A (zh) 一种碳气凝胶复合定形相变储能材料及其制备方法
Li et al. Electrospun carbon nanofiber-based flexible films for electric heating elements with adjustable resistance, ultrafast heating rate, and high infrared emissivity
CN103897667A (zh) 一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料及制备方法
CN110498681A (zh) 室温下高电卡效应的弛豫铁电陶瓷及制备方法和应用
CN113860292A (zh) 一种快速烘干石墨烯膜的方法
Shi et al. Bacterial Cellulose‐Based Janus Films with Radiative Cooling and Solar Heating Properties for All‐Season Thermal Management
CN106000245A (zh) 一种块状氧化铝气凝胶的制备方法
CN100500574C (zh) 一种制备硫化铅纳米棒的方法
CN109735308A (zh) 热导率可调的非固化石墨烯复合材料及其制备方法与应用
CN105220274A (zh) 一种沥青基碳纤维碳晶材料的制备方法
CN2818496Y (zh) 快速升降温加热器
Charoenvai et al. Analysis of energy consumption in a drying process of particleboard using a combined multi-feed microwave-convective air and continuous belt system (CMCB)
CN113502597B (zh) 一种柔性高红外反射率锰酸钇纳米纤维膜及其制备方法
Yao et al. Microstructure, thermal and electrical properties of polyaniline/phenolic composite aerogel
Zhou et al. Light-driven PEG/Ti3C2Tx form-stable phase change film for energy storage
CN110144063A (zh) 一种导热绝缘纤维素膜及其制备方法
Rodríguez-García et al. Experimental and theoretical investigation on using microwaves for storing electricity in a thermal energy storage medium

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant