CN109517337B - 一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法 - Google Patents

一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法。其技术方案是：将2～8质量份的炭化稻壳加入到100质量份的去离子水中，混合均匀，再加入2～2.5质量份的十二烷基磺酸钠、2～2.5质量份的十二醇和2～2.5质量份的树脂胶，在40～60℃和100～200r/min条件下搅拌10～20min，得到混合液；在转速为1500～2000r/min的条件下，将混合液搅拌15～20min，再向搅拌中的混合液加入3～12质量份的结合剂，继续搅拌5～10min，得到炭化稻壳泡沫料浆；将炭化稻壳泡沫料浆浇注成型，冷冻干燥6～12h，再于80～100℃条件下干燥18～24h，制得炭化稻壳泡沫光热材料。本发明工艺简单和成本低廉；所制备的炭化稻壳泡沫光热材料的水蒸发效率和光热转换效率高。

Description

一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法
技术领域
本发明属于光热转换技术领域。具体涉及一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法。
背景技术
光热转换技术是指光热转换材料在太阳光照射下，其晶格与光子能量相互振动，分子振动加剧，内能增加，材料温度升高，从而将光能转化为热能的过程。在光热转换技术领域，太阳光水蒸气发生系统(Solar Steam Generation)是目前极具前景的研究方向，主要是利用多孔光热材料大幅吸收太阳能，并将太阳能转换为热能，从而实现水蒸气的快速且高效蒸发。生物质遗态材料由于具有来源广泛、炭化后活性碳含量高和本征为规则多孔结构等优点，在太阳光水蒸气发生系统表现出极大的应用前景。
已报到的采用生物质遗态材料作为光热材料的研究主要是以蘑菇(Xu N,Hu X,XuW,et al.Mushrooms as Efficient Solar Steam-Generation Devices.[J].AdvancedMaterials,2017,29(28))和木材(Xue G,Liu K,Chen Q,et al.Robust and Low-costFlame-Treated Wood for High-Performance Solar Steam Generation.[J].AcsApplied Materials&Interfaces,2017,9(17):15052)为基体材料，通过炭化处理获得大的光吸收范围和高的光吸收率，但该类材料中在1KW/m2太阳光强度下的光热转换效率仅为60～70％。
炭化稻壳作为来源极为广泛的生物质遗态材料，其天然的微米孔和纳米孔结构、高的碳含量(30～40wt％)以及宽泛的光吸收范围(紫外-近红外光区)赋予了其作为新型生物质光热材料大的研究前景，但目前未见用炭化稻壳泡沫作为光热材料的技术报道。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单和成本低廉的炭化稻壳泡沫光热材料的制备方法；用该方法制备的炭化稻壳泡沫光热材料的水蒸发效率和光热转换效率高。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案的步骤是：
步骤一、将2～8质量份的炭化稻壳加入到100质量份的去离子水中，混合均匀，得到悬浊液；再向所述悬浊液中加入2～2.5质量份的十二烷基磺酸钠、2～2.5质量份的十二醇和2～2.5质量份的树脂胶，在40～60℃和100～200r/min条件下搅拌10～20min，得到混合液。
步骤二、在转速为1500～2000r/min的条件下，将所述混合液搅拌15～20min，再向搅拌中的混合液中加入3～12质量份的结合剂，继续搅拌5～10min，得到炭化稻壳泡沫料浆。
步骤三、将所述炭化稻壳泡沫料浆浇注成型，冷冻干燥6～12h，再于80～100℃条件下干燥18～24h，制得炭化稻壳泡沫光热材料。
所述炭化稻壳的粒径为100～500nm；炭化稻壳的主要化学组分为：C为20～40wt％，SiO2为20～40wt％，烧失为50～60wt％。
所述结合剂为环氧树脂或为聚乙烯醇。
所述冷冻干燥的温度为-50～-45℃。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明只需采用快速搅拌和常规的干燥方法，无需复杂的炭化和热处理工艺，制备工艺简单；另外，本发明所需的主要原料为炭化稻壳、十二烷基磺酸钠、十二醇和树脂胶，其来源广泛，成本低廉。
(2)本发明所采用的主体光热介质材料为炭化稻壳，炭化稻壳作为来源极为广泛的生物质遗态材料，具有天然的微米孔和纳米孔结构、高的碳含量(30～40wt％)、宽的光吸收范围(紫外-近红外光区)、高的光吸收率和高效的光热转换效率，能有效提高制品的光热转换效率。本发明所制备的炭化稻壳泡沫光热材料为50～100um的微米孔结构，能有效地促进水蒸气在炭化稻壳泡沫材料体系中的传输，提高水蒸发效率。
本发明所制备的炭化稻壳泡沫光热材料经检测：在1KW/m2太阳光强度下的水蒸发效率为0.98～1.06kg·m-2·h-1；光热转换效率为67.2～72.8％；水蒸发效率和光热转换效率高。
因此，本发明工艺简单和成本低廉；所制备的炭化稻壳泡沫光热材料的水蒸发效率和光热转换效率高。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
本具体实施方式中：
所述炭化稻壳的粒径为100～500nm，主要化学组分为：C为20～40wt％，SiO2为20～40wt％，烧失为50～60wt％。
所述冷冻干燥的温度为-50～-45℃。
实施例中不再赘述。
实施例1
一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
步骤一、将2～4质量份的炭化稻壳加入到100质量份的去离子水中，混合均匀，得到悬浊液；再向所述悬浊液中加入2～2.3质量份的十二烷基磺酸钠、2～2.3质量份的十二醇和2～2.3质量份的树脂胶，在40～56℃和100～200r/min条件下搅拌10～16min，得到混合液。
步骤二、在转速为1500～2000r/min的条件下，将所述混合液搅拌15～18min，再向搅拌中的混合液中加入3～6质量份的结合剂，继续搅拌5～8min，得到炭化稻壳泡沫料浆。
步骤三、将所述炭化稻壳泡沫料浆浇注成型，冷冻干燥6～8h，再于80～90℃条件下干燥18～20h，制得炭化稻壳泡沫光热材料。
本实施例所述结合剂为环氧树脂。
实施例2
一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
步骤一、将4～6质量份的炭化稻壳加入到100质量份的去离子水中，混合均匀，得到悬浊液；再向所述悬浊液中加入2.1～2.4质量份的十二烷基磺酸钠、2.1～2.4质量份的十二醇和2.1～2.4质量份的树脂胶，在42～58℃和100～200r/min条件下搅拌12～18min，得到混合液。
步骤二、在转速为1500～2000r/min的条件下，将所述混合液搅拌16～19min，再向搅拌中的混合液中加入6～9质量份的结合剂，继续搅拌6～9min，得到炭化稻壳泡沫料浆。
步骤三、将所述炭化稻壳泡沫料浆浇注成型，冷冻干燥8～10h，再于80～90℃条件下干燥20～22h，制得炭化稻壳泡沫光热材料。
本实施例所述结合剂为环氧树脂。
实施例3
一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
步骤一、将6～8质量份的炭化稻壳加入到100质量份的去离子水中，混合均匀，得到悬浊液；再向所述悬浊液中加入2.2～2.5质量份的十二烷基磺酸钠、2.2～2.5质量份的十二醇和2.2～2.5质量份的树脂胶，在44～60℃和100～200r/min条件下搅拌14～20min，得到混合液。
步骤二、在转速为1500～2000r/min的条件下，将所述混合液搅拌17～20min，再向搅拌中的混合液中加入9～12质量份的结合剂，继续搅拌7～10min，得到炭化稻壳泡沫料浆。
步骤三、将所述炭化稻壳泡沫料浆浇注成型，冷冻干燥10～12h，再于80～90℃条件下干燥22～24h，制得炭化稻壳泡沫光热材料。
本实施例所述结合剂为环氧树脂。
本实施例1-3所制备的炭化稻壳泡沫光热材料经检测：在1KW/m2太阳光强度下的水蒸发效率为0.98～1.04kg·m-2·h-1；光热转换效率为67.2～71.3％。
实施例4
一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
步骤一、将2～4质量份的炭化稻壳加入到100质量份的去离子水中，混合均匀，得到悬浊液；再向所述悬浊液中加入2～2.3质量份的十二烷基磺酸钠、2～2.3质量份的十二醇和2～2.3质量份的树脂胶，在40～56℃和100～200r/min条件下搅拌10～16min，得到混合液。
步骤二、在转速为1500～2000r/min的条件下，将所述混合液搅拌15～18min，再向搅拌中的混合液中加入3～6质量份的结合剂，继续搅拌5～8min，得到炭化稻壳泡沫料浆。
步骤三、将所述炭化稻壳泡沫料浆浇注成型，冷冻干燥6～8h，再于90～100℃条件下干燥18～20h，制得炭化稻壳泡沫光热材料。
本实施例所述结合剂为聚乙烯醇。
实施例5
一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
步骤一、将4～6质量份的炭化稻壳加入到100质量份的去离子水中，混合均匀，得到悬浊液；再向所述悬浊液中加入2.1～2.4质量份的十二烷基磺酸钠、2.1～2.4质量份的十二醇和2.1～2.4质量份的树脂胶，在42～58℃和100～200r/min条件下搅拌12～18min，得到混合液。
步骤二、在转速为1500～2000r/min的条件下，将所述混合液搅拌16～19min，再向搅拌中的混合液中加入6～9质量份的结合剂，继续搅拌6～9min，得到炭化稻壳泡沫料浆。
步骤三、将所述炭化稻壳泡沫料浆浇注成型，冷冻干燥8～10h，再于90～100℃条件下干燥20～22h，制得炭化稻壳泡沫光热材料。
本实施例所述结合剂为聚乙烯醇。
实施例6
一种炭化稻壳泡沫光热材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
步骤一、将6～8质量份的炭化稻壳加入到100质量份的去离子水中，混合均匀，得到悬浊液；再向所述悬浊液中加入2.2～2.5质量份的十二烷基磺酸钠、2.2～2.5质量份的十二醇和2.2～2.5质量份的树脂胶，在44～60℃和100～200r/min条件下搅拌14～20min，得到混合液。
步骤二、在转速为1500～2000r/min的条件下，将所述混合液搅拌17～20min，再向搅拌中的混合液中加入9～12质量份的结合剂，继续搅拌7～10min，得到炭化稻壳泡沫料浆。
步骤三、将所述炭化稻壳泡沫料浆浇注成型，冷冻干燥10～12h，再于90～100℃条件下干燥22～24h，制得炭化稻壳泡沫光热材料。
本实施例所述结合剂为聚乙烯醇。
本实施例4-6所制备的炭化稻壳泡沫光热材料经检测：在1KW/m2太阳光强度下的水蒸发效率为1.00～1.06kg·m-2·h-1；光热转换效率为68.5～72.8％。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下优点：
(1)本具体实施方式只需采用快速搅拌和常规的干燥方法，无需复杂的炭化和热处理工艺，制备工艺简单；另外，本具体实施方式所需的主要原料为炭化稻壳、十二烷基磺酸钠、十二醇和树脂胶，其来源广泛，成本低廉。
(2)本具体实施方式所采用的主体光热介质材料为炭化稻壳，炭化稻壳作为来源极为广泛的生物质遗态材料，具有天然的微米孔和纳米孔结构、高的碳含量(30～40wt％)、宽的光吸收范围(紫外-近红外光区)、高的光吸收率和高效的光热转换效率，能有效提高制品的光热转换效率。本具体实施方式所制备的炭化稻壳泡沫光热材料为50～100um的微米孔结构，能有效地促进水蒸气在炭化稻壳泡沫材料体系中的传输，提高水蒸发效率。
本具体实施方式所制备的炭化稻壳泡沫光热材料经检测：在1KW/m2太阳光强度下的水蒸发效率为0.98～1.06kg·m-2·h-1；光热转换效率为67.2～72.8％；水蒸发效率和光热转换效率高。
因此，本具体实施方式工艺简单和成本低廉；所制备的炭化稻壳泡沫光热材料的水蒸发效率和光热转换效率高。

Claims (4)

1.一种炭化稻壳泡沫光热材料的制备方法，其特征在于所述制备方法是：
步骤一、将2～8质量份的炭化稻壳加入到100质量份的去离子水中，混合均匀，得到悬浊液；再向所述悬浊液中加入2～2.5质量份的十二烷基磺酸钠、2～2.5质量份的十二醇和2～2.5质量份的树脂胶，在40～60℃和100～200r/min条件下搅拌10～20min，得到混合液；
步骤二、在转速为1500～2000r/min的条件下，将所述混合液搅拌15～20min，再向搅拌中的混合液中加入3～12质量份的结合剂，继续搅拌5～10min，得到炭化稻壳泡沫料浆；
步骤三、将所述炭化稻壳泡沫料浆浇注成型，冷冻干燥6～12h，再于80～100℃条件下干燥18～24h，制得炭化稻壳泡沫光热材料；
所述炭化稻壳的粒径为100～500nm；炭化稻壳的主要化学组分为：C为20～40wt％，SiO2为20～40wt％，烧失为50～60wt％。
2.根据权利要求1所述的炭化稻壳泡沫光热材料的制备方法，其特征在于所述结合剂为环氧树脂或为聚乙烯醇。
3.根据权利要求1所述的炭化稻壳泡沫光热材料的制备方法，其特征在于所述冷冻干燥的温度为-50～-45℃。
4.一种炭化稻壳泡沫光热材料，其特征在于所述炭化稻壳泡沫光热材料是根据权利要求1～3项中任一项所述炭化稻壳泡沫光热材料的制备方法所制备的炭化稻壳泡沫光热材料。
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