CN110126043B - 一种基于光热响应的导热增强型相变储能木材的制备方法 - Google Patents

一种基于光热响应的导热增强型相变储能木材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光热响应的导热增强型相变储能木材的制备方法。所述方法的主要步骤是：(1)将氧化石墨烯通过羧基化处理得到羧基化氧化石墨烯，然后与氨基化聚乙二醇进行共轭接枝并控制石墨烯表面聚乙二醇接枝量。随后将接枝聚乙二醇的石墨烯和聚乙二醇共混，制备相变储能材料。(2)利用低浓度氢氧化钠和亚硫酸钠溶液对木材进行预处理，以马来酸酐为酯化剂，丙酮为溶剂配置溶液，对预处理材进行浸渍处理，采用真空加压满细胞法将石墨烯/聚乙二醇相变储能悬浮液浸入木材内，调控多维互穿网络结构，得到导热增强型相变储能木材。本发明的优点是：石墨烯和聚乙二醇之间能形成牢固的酰胺键，保证相变体系的稳定。

Description

一种基于光热响应的导热增强型相变储能木材的制备方法
(一)技术领域
本发明涉及一种基于光热响应的导热增强型相变储能木材的制备方法，特别是一种导热增强型相变储能材料的制备方法
(二)背景技术
近年来，节能环保问题成为影响社会经济发展的重要因素之一。随着工业社会迅猛发展，人类对能源的需求量及依赖程度日益增强，对开发新型绿色能源，提升能源利用率，研发节能技术和材料日益重视。在这一背景下，相变储能技术应运而生，相变材料可在加热条件下通过物相变化吸收热能，并在冷却过程中释放热能，可根据环境温度的不同实现热能的储存和释放，有效克服了热能供给的时空限制。有机固-液相变材料是目前相对成熟的一种相变材料，其种类较多，具有广泛的温度适用范围。但是，将有机固-液相变材料应用于木材领域尚处于萌芽阶段。木材作为一种多孔性有机材料，其保温性能是钢材的400倍，混凝土的16倍。木结构建筑比轻纲结构建筑节能5.3％，比混凝土结构建筑节能8.1％，轻型木结构建筑在住宅单元的使用寿命内具有大大降低采暖和制冷费用的潜力。由于全球能源危机日益严重，提高木材的导热性能及储能能力对建设低碳环保型社会具有重要的现实意义。
本发明以人工林速生材为研究对象，为了提高木材的储能能力，选择无毒、无刺激性、不易水解、性能稳定的聚乙二醇-800作为储能材料。为了提高聚乙二醇的导热性能，本发明选择热导率达到5300W/m·K的氧化石墨烯作为导热粒子。氧化石墨烯不仅具有极高的导热率，其表面还拥有羟基(-OH)、羧基(-COOH)、环氧基等含氧基团，这些活性基团可作为反应活性位点使氧化石墨烯被修饰或者共价功能化。为此，本发明以氨基化的聚乙二醇-800为相变材料，羧基化的氧化石墨烯为骨架，通过酰胺化反应使氧化石墨烯和聚乙二醇之间实现化学接枝，既避免了氧化石墨烯在有机溶剂里的团聚问题，又实现了对聚乙二醇的束缚，从而使整个相变体系在相变的过程中保持稳定。然后将氧化石墨烯接枝聚乙二醇和聚乙二醇-800共混制备出相变储能悬浮液，并将悬浮液通过真空加压满细胞法浸渍木材，进而交联生成石墨烯-聚乙二醇-木材多维互穿网络结构，使木材内部细胞转变为相变储能囊体，利用氧化石墨烯的高光热转化率，提升复合材料储放热效率，创建高效的木材相变储能结构体系。本产品可用于建筑、家具、室内装饰装修、军工等领域，可以为人们营造一个绿色环保、节能舒适的工作与生活环境。
(三)发明内容
本发明提供了一种基于光热响应的导热增强型相变储能木材的制备方法，其目的是，为了提高木材的储能性能，促进能源的节约，选取具有高热导率的氧化石墨烯为导热粒子，聚乙二醇-800为相变储能材料，通过酰胺反应使二者之间形成互穿网络结构，从而保证了木材在相变过程中的稳定性。
本发明的技术方案如下：
一种基于光热响应的导热增强型相变储能木材的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)量取适量的氧化石墨烯粉末在去离子水中超声分散，配制5mg/ml的氧化石墨烯水分散液，然后加入氢氧化钠和氯乙酸，氢氧化钠、氯乙酸和氧化石墨烯粉末的比值为4:4:1。于400W下超声3h，之后8000r/min离心处理10min，用去离子水洗涤2-3次，采用透析袋透析至中性即得良好分散的羧基化氧化石墨烯水分散液。
(2)采用聚乙二醇-800作为相变材料，将适量的聚乙二醇-800放入50℃水浴锅中，待聚乙二醇-800变为熔融状态，加入无水乙醇，磁力搅拌1h，制备70％浓度的聚乙二醇溶液，称作A，备用。将羧基化氧化石墨烯水分散液与氨基化聚乙二醇-800磁力搅拌20min后再超声10min(质量比为1:10)，然后加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐为催化剂，继续超声30min，保持整个过程温度为45℃，制得氧化石墨烯接枝聚乙二醇，称作B。将A和B在45℃下搅拌24h，然后离心水洗数次，再将反应混合物放入透析袋中透析，得到氧化石墨烯接枝聚乙二醇悬浮液。
(3)选取木材，在容器中倒入去离子水，然后加入氢氧化钠和亚硫酸钠(质量比为2:1)，加热到95℃后将木材置于混合液内蒸煮24h(过程中混合液更换3-4次)，期间要保证木材浸没于溶液下。最后将蒸煮过的木材置于78℃乙醇沸腾液内1h，置换出木材中的药剂。称取丙酮和去离子水配制溶液，然后缓慢滴加马来酸酐并磁力搅拌20min(马来酸酐的质量为木材质量的5％)，将木材置于溶液里，45℃下浸渍2h，得到马来酸酐接枝木材。
(4)将马来酸酐接枝木材和步骤2得到的氧化石墨烯接枝聚乙二醇悬浮液置于浸渍罐内，先抽真空至-0.1MPa，处理10-15min，然后卸除真空并加压至1～1.4MPa，保压1h；当吸药量达到要求时，卸载压力并释放药液；再次抽真空至-0.1MPa，抽真空时间为10min。试件先自然干燥48h，再放入干燥箱中在60℃下进行低温慢速干燥直到质量恒定，从而得到相变储能木材。
本方法具有如下优点：
(1)很好的利用了氧化石墨烯的高热导率和表面反应活性，与氨基化聚乙二醇之间形成牢固的酰胺键，提高了相变材料的抗流失性。
(2)选用聚乙二醇作为储能材料，其分子量范围较大，相变潜热高，生物相容性好，其端基的活性基团可进行修饰。
(3)将相变储能材料与木材相结合，极大地提高了木材的储能效应，尤其对于速生材来说，该发明开发了木材在储能领域的潜力，对室温调节、提高能源利用率、节能环保等方面具有重要意义。
(四)附图说明
图1为本发明的技术路线图
图2为实施例2中的相变储能南方松木
(五)具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些本质的改进和调整。
实施例1
(1)量取250mg氧化石墨烯粉末于在50mL去离子水中超声分散，配制5mg/ml的氧化石墨烯分散液。然后加入1g氢氧化钠和1g氯乙酸，于400W下超声3h，之后8000r/min离心处理10min，用去离子水洗涤2-3次，采用透析袋透析至中性即得良好分散的羧基化氧化石墨烯水分散液。
(2)采用聚乙二醇-800作为相变材料，将21g聚乙二醇-800置于烧杯内，放入50℃水浴锅中，待聚乙二醇-800变为熔融状态，加入9g无水乙醇，磁力搅拌1h，配制70％浓度的聚乙二醇溶液，称作A，备用。量取200mg羧基化氧化石墨烯水分散液与2g氨基化聚乙二醇-800磁力搅拌20min后再超声10min，然后加入1mg1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐为催化剂，继续超声30min，保持整个过程温度为45℃，制得氧化石墨烯接枝聚乙二醇，称作B。将A和B在45℃下搅拌24h，然后离心水洗数次，再将反应混合物放入透析袋中透析，得到氧化石墨烯接枝聚乙二醇悬浮液。
(3)选取20mm(L)×20mm(W)×20mm(T)的欧洲赤松，在烧杯中倒入500ml去离子水，然后加入5g氢氧化钠和2.5g亚硫酸钠，加热到95℃后将木材置于混合液内蒸煮24h(过程中混合液更换3-4次)，期间要保证木材浸没于溶液下。最后将蒸煮过的木材置于78℃乙醇沸腾液内1h，置换出木材中的药剂。称取450ml丙酮和50ml去离子水配制溶液，然后缓慢滴加马来酸酐并磁力搅拌20min(马来酸酐的质量为木材质量的5％)，将木材置于溶液里，45℃下浸渍2h，得到马来酸酐接枝木材。
(4)将预处理的欧洲赤松和步骤2得到的氧化石墨烯接枝聚乙二醇悬浮液置于浸渍罐内，先抽真空至-0.1MPa，处理10-15min，然后卸除真空并加压至1～1.4MPa，保压1h；当吸药量达到要求时，卸载压力并释放药液；再次抽真空至-0.1MPa，抽真空时间为10min。试件先自然干燥48h，再放入干燥箱中在60℃下进行低温慢速干燥直到质量恒定，从而得到相变储能木材。
实施例2
(1)量取500mg氧化石墨烯粉末于在100mL去离子水中超声分散，配制5mg/ml的氧化石墨烯分散液。然后加入2g氢氧化钠和2g氯乙酸，于400W下超声3h，之后8000r/min离心处理10min，用去离子水洗涤2-3次，采用透析袋透析至中性即得良好分散的羧基化氧化石墨烯水分散液。
(2)采用聚乙二醇-800作为相变材料，将42g聚乙二醇-800置于烧杯内，放入50℃水浴锅中，待聚乙二醇-800变为熔融状态，加入18g无水乙醇，磁力搅拌1h，配制70％浓度的聚乙二醇溶液，称作A，备用。量取400mg羧基化氧化石墨烯水分散液与4g氨基化聚乙二醇-800磁力搅拌20min后再超声10min，然后加入2mg1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐为催化剂，继续超声30min，保持整个过程温度为45℃，制得氧化石墨烯接枝聚乙二醇，称作B。将A和B在45℃下搅拌24h，然后离心水洗数次，再将反应混合物放入透析袋中透析，得到氧化石墨烯接枝聚乙二醇悬浮液。
(3)选取20mm(L)×20mm(W)×10mm(T)的南方松木，在烧杯中倒入1000ml去离子水，然后加入10g氢氧化钠和5g亚硫酸钠，加热到95℃后将木材置于混合液内蒸煮24h(过程中混合液更换3-4次)，期间要保证木材浸没于溶液下。最后将蒸煮过的木材置于78℃乙醇沸腾液内1h，置换出木材中的药剂。称取900ml丙酮和100ml去离子水配制溶液，然后缓慢滴加马来酸酐并磁力搅拌20min(马来酸酐的质量为木材质量的5％)，将木材置于溶液里，45℃下浸渍2h，得到马来酸酐接枝木材。
(4)将预处理的南方松和步骤2得到的氧化石墨烯接枝聚乙二醇悬浮液置于浸渍罐内，先抽真空至-0.1MPa，处理10-15min，然后卸除真空并加压至1～1.4MPa，保压1h；当吸药量达到要求时，卸载压力并释放药液；再次抽真空至-0.1MPa，抽真空时间为10min。试件先自然干燥48h，再放入干燥箱中在60℃下进行低温慢速干燥直到质量恒定，从而得到相变储能木材(见图2)。

Claims (1)

1.一种基于光热响应的导热增强型相变储能木材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)量取适量的氧化石墨烯粉末在去离子水中超声分散，配制5mg/ml的氧化石墨烯水分散液，然后加入氢氧化钠和氯乙酸，氢氧化钠、氯乙酸和氧化石墨烯粉末的质量比为4:4:1，于400W下超声3h，之后8000r/min离心处理10min，用去离子水洗涤2-3次，采用透析袋透析至中性即得良好分散的羧基化氧化石墨烯水分散液；
(2)采用聚乙二醇-800作为相变材料，将适量的聚乙二醇-800放入50℃水浴锅中，待聚乙二醇-800变为熔融状态，加入无水乙醇，磁力搅拌1h，制备70％质量浓度的聚乙二醇溶液，称作A，备用；将羧基化氧化石墨烯水分散液与氨基化聚乙二醇-800按1:10的质量比磁力搅拌20min后再超声10min，然后加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐为催化剂，继续超声30min，保持整个过程温度为45℃，制得氧化石墨烯接枝聚乙二醇，称作B；将A和B在45℃下搅拌24h，然后离心水洗数次，再将反应混合物放入透析袋中透析，得到氧化石墨烯接枝聚乙二醇悬浮液；
(3)选取木材，在容器中倒入去离子水，然后加入氢氧化钠和亚硫酸钠，氢氧化钠和亚硫酸钠的质量比为2:1，加热到95℃后将木材置于混合液内蒸煮24h，期间要保证木材浸没于溶液下，最后将蒸煮过的木材置于78℃乙醇沸腾液内1h，置换出木材中的药剂；称取丙酮和去离子水配制溶液，然后缓慢滴加马来酸酐并磁力搅拌20min，将木材置于溶液里，45℃下浸渍2h，得到马来酸酐接枝木材，马来酸酐的质量为木材质量的5％；
(4)将马来酸酐接枝木材和步骤2得到的氧化石墨烯接枝聚乙二醇悬浮液置于浸渍罐内，先抽真空至-0.1MPa，处理10-15min，然后卸除真空并加压至1～1.4MPa，保压1h；当吸药量达到要求时，卸载压力并释放药液；再次抽真空至-0.1MPa，抽真空时间为10min，试件先自然干燥48h，再放入干燥箱中在60℃下进行低温慢速干燥直到质量恒定，从而得到相变储能木材。
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