CN110587752B - 一种以烷基化炭黑为填料的储能木材构筑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以烷基化炭黑为填料的储能木材构筑方法。所述方法的主要步骤是：(1)对木材进行脱木素处理，以打开细胞壁间隙，提高储能空间。(2)选择甲基丙烯酸缩水甘油酯作为基础材料，制备有机溶液。然后将有机溶液和聚乙二醇800共混制备相变储能材料(3)将炭黑分散在硫酸溶液中加热，制备羟基化炭黑，然后将羟基化炭黑分散在Tris缓冲溶液中，然后加入多巴胺，调控反应条件，制备多巴胺改性炭黑。利用十八烷基异氰酸酯对多巴胺改性炭黑进行烷基化处理。最后将其分散于相变储能材料中(4)采用真空加压满细胞法将相变储能材料浸入木材内，得到储能木材。

Description

一种以烷基化炭黑为填料的储能木材构筑方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，特别是一种以烷基化炭黑为填料的储能木材构筑方法。

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。将储能技术应用于木材，尤其是人工速生材，将极大的拓展木材的开发潜力，减少生活中化石能源的消耗，有利于构建绿色环保的低碳生活。在木材改性过程中，通常是将有机或无机材料浸渍到木材内部，从而使木材具备阻燃、防霉抗菌、高强度等功能。但是这些材料往往由于极性弱多聚合填充于木材细胞腔，很少能进入木材细胞壁空隙或与木材组分反应增强界面相容性，这一特征如果得不到解决将不利于相变储能材料的封装。

发明内容

本发明提供了一种以烷基化炭黑为填料的储能木材构筑方法，其目的是在于克服储能木材存在的封装性差、导热率低的缺陷，提供一种具有封装性好、导热率高的储能木材的制备方法。制备方法简单，产品可应用于建筑、家具、室内装饰装修等领域。为此，本发明制备了一种富含羟基、环氧基、醚键等官能团的有机溶液，可以在木材和相变材料之间充当桥联剂，共价键的结合避免了相变材料的泄漏。为了提高聚乙二醇的导热效率，选用具有无毒、热导率高的炭黑作为导热填料。利用十八烷基异氰酸酯对其进行烷基化改性，提高了炭黑在聚乙二醇溶液的分散性。利用真空加压满细胞法将以烷基化炭黑为填料的相变储能材料注入木材，使木材胞壁转变为相变储能囊体，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。

本发明的技术解决方案：一种以烷基化炭黑为填料的储能木材构筑方法，包含以下具体步骤：

（1）脱木素木材：挑选人工速生材，选取胸高以上的成熟边材，无开裂、腐朽和变色等缺陷。称重之后将木材试件置于去离子水中抽真空（-0.1MPa，1h），排出木材内部空气。在烧杯中倒入去离子水，然后加入2mol/L~5mol/L的NaOH和0.1mol/L~1mol/LNa₂SO₃，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，置换出木材中的水分。制备好的木材保存在无水乙醇内；

（2）有机溶液：将甲基丙烯酸缩水甘油酯经氧化铝过柱，得纯化的甲基丙烯酸缩水甘油酯；将甲基丙烯酸缩水甘油酯和聚乙二醇400混合，得混合物，然后加入甲苯和三乙胺，混合均匀，倒入带有搅拌装置和回流装置的三口瓶中；将带有搅拌装置和回流装置的三口瓶置于90℃的油浴锅中，同时通入氮气，搅拌回流，得溶液A；然后向溶液A中加入HCl溶液至PH值为中性，然后进行旋蒸；将旋蒸后的产物溶解在乙酸乙酯中，并用饱和食盐水洗涤3次；然后将有机相经分液漏斗分离出来，再次旋蒸，得溶液B；将甲基丙烯酸缩水甘油酯和溶液B按2:1的体积比共混，并加入偶氮二异丁腈，室温下剧烈搅拌1h，得反应性有机溶液，其中，偶氮二异丁腈的加入量为有机溶液质量的1％~4％；

（3）烷基化炭黑：量取一定体积的浓硫酸和蒸馏水，配置成浓度为2-18mol/L的硫酸溶液。将干燥后的炭黑加入配制的足量硫酸溶液中，使用恒温水浴锅在50~65℃的条件下水浴反应2-10h，将反应后的炭黑用去离子水多次离心洗涤至中性，放入干燥箱干燥，即得羟基化炭黑。将羟基化炭黑分散于PH为8.5的Tris缓冲溶液中，并加入盐酸多巴胺在室温下反应一段时间，使炭黑接枝上多巴胺。将多巴胺改性炭黑置于足量的无水 N，N－二甲基甲酰胺中在室温下超声20min~30min使均匀分散，然后加入和炭黑质量比为5:1的十八烷基异氰酸酯在40℃~50℃下搅拌反应20h~24h后干燥，得到烷基化炭黑。将烷基化炭黑、有机溶液和聚乙二醇800熔融共混，调控三者之间的物料比和反应条件，制备相变储能材料，其中，有机溶液和聚乙二醇800的质量比为3:7，烷基化炭黑的质量为有机溶液和聚乙二醇800质量总数的5％~10％；

（4）储能木材：将木块浸渍于相变材料液面下，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。将浸渍处理后的试块用锡箔纸包好置于恒温鼓风干燥箱中，80 ℃干燥反应1 h，然后去除包装。将试块置于恒温鼓风干燥箱中采用60 ℃干燥 2 h、升温至 80 ℃干燥 4 h、105 ℃干燥4 h 的方式烘至恒质量，得到储能木材。

本发明的优点：

1）以脱木素木材作为封装材料，是一种具有三维多孔结构的绿色材料，尤其是人工速生材来源广泛，如毛白杨、泡桐、杉木、松木等，符合低碳环保要求；

2）制备得到的储能木材光热转换效率高，可以根据环境温度的变化进行储放热，使室内温度更加符合人体的温度要求，间接减少了暖气、空调等大功率调温设备的使用次数，有利于节约化石资源；

3）制备的储能木材可以对储能材料进行很好的封装，避免了储能材料的泄漏，提高了木材的使用寿命。

4）可操作性高，原料来源丰富，制备周期短（30h~40h），反应条件温和（25℃~30℃），可以实现大规模批量化生产，产品具有极好的开发前景，是应对气候变化、环境污染的解决办法之一。

（四）附图说明

图1为烷基化炭黑疏水效果图

（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

一种以烷基化炭黑为填料的储能木材构筑方法，包括以下步骤：

（1）脱木素木材：挑选速生杨木，选取胸高以上的成熟边材，规格为长20mm×宽20mm×厚20 mm，无开裂、腐朽和变色等缺陷。称重之后将木材试件置于去离子水中抽真空（-0.1MPa，1h），排出木材内部空气。在烧杯中倒入500ml去离子水，然后加入40gNaOH和63gNa₂SO₃，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，置换出木材中的水分。制备好的木材保存在无水乙醇内。

（2）有机溶液：①将甲基丙烯酸缩水甘油酯经氧化铝过柱，得纯化的甲基丙烯酸缩水甘油酯；②将40ml的甲基丙烯酸缩水甘油酯和20ml聚乙二醇400混合，得混合物，然后加入30ml甲苯和1g三乙胺，混合均匀，倒入带有搅拌装置和回流装置的三口瓶中；③将带有搅拌装置和回流装置的三口瓶置于90℃的油浴锅中，同时通入氮气，搅拌回流，得溶液A；④然后向溶液A中加入浓度为的5gHCl溶液至PH值为中性，然后进行旋蒸；⑤将旋蒸后的产物溶解在100ml乙酸乙酯中，并用饱和食盐水洗涤3次；⑥然后将有机相经分液漏斗分离出来，再次旋蒸，得溶液B。将40ml甲基丙烯酸缩水甘油酯和20ml溶液B共混，并加入0.6g偶氮二异丁腈，室温下剧烈搅拌1h，得反应性有机溶液。

（3）烷基化炭黑：量取490g浓硫酸和一定量的蒸馏水配制成500ml10mol/L的硫酸溶液。将10g干燥后的炭黑加入配制的硫酸溶液中，使用恒温水浴锅在60℃的条件下水浴反应10h，将反应后的炭黑用去离子水多次离心洗涤至中性，放入干燥箱干燥，即得羟基化炭黑。将5g羟基化炭黑分散于500mlPH为8.5的Tris缓冲溶液中，并加入2g盐酸多巴胺在室温下反应一段时间，使炭黑接枝上多巴胺。将5g多巴胺改性炭黑置于100 ml的无水 N，N－二甲基甲酰胺在室温下超声（300W）30min使均匀分散。然后加入5g的十八烷基异氰酸酯和0.5g三乙烯二胺催化剂在50℃下搅拌反应24h后干燥，得到烷基化炭黑。将2.4g烷基化炭黑、9g有机溶液和21g聚乙二醇800熔融共混，45℃，6000r/min高速搅拌20min，然后再在600W下超声分散30min，制备相变储能材料。

（4）储能木材：将木块浸渍于相变材料液面下，先抽真空至-0.1MPa，处理15min，然后卸除真空并加压至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。将浸渍处理后的试块用锡箔纸包好置于恒温鼓风干燥箱中，80 ℃干燥反应1 h，然后去除包装。将试块置于恒温鼓风干燥箱中采用 60 ℃干燥2 h、升温至 80 ℃干燥 4 h、105 ℃干燥4 h 的方式烘至恒质量，得到储能木材。

实施例2

一种以烷基化炭黑为填料的储能木材构筑方法，包括以下步骤：

（1）脱木素木材：挑选杉木，选取胸高以上的成熟边材，规格为长40mm×宽30mm×厚20 mm，无开裂、腐朽和变色等缺陷。称重之后将木材试件置于去离子水中抽真空（-0.1MPa，1h），排出木材内部空气。在烧杯中倒入500ml去离子水，然后加入40gNaOH和63gNa₂SO₃，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，置换出木材中的水分。制备好的木材保存在无水乙醇内。

（2）有机溶液：①将甲基丙烯酸缩水甘油酯经氧化铝过柱，得纯化的甲基丙烯酸缩水甘油酯；②将40ml的甲基丙烯酸缩水甘油酯和20ml聚乙二醇400混合，得混合物，然后加入30ml甲苯和1g三乙胺，混合均匀，倒入带有搅拌装置和回流装置的三口瓶中；③将带有搅拌装置和回流装置的三口瓶置于80~90℃的油浴锅中，同时通入氮气，搅拌回流，得溶液A；④然后向溶液A中加入浓度为的4g~6gHCl溶液至PH值为中性，然后进行旋蒸；⑤将旋蒸后的产物溶解在200ml乙酸乙酯中，并用饱和食盐水洗涤2~3次；⑥然后将有机相经分液漏斗分离出来，再次旋蒸，得溶液B。将60ml甲基丙烯酸缩水甘油酯和30ml溶液B共混，并加入1g偶氮二异丁腈，室温下剧烈搅拌1h，得反应性有机溶液。

（3）烷基化炭黑：量取490g浓硫酸和一定量的蒸馏水配制500ml10mol/L的硫酸溶液。将20g干燥后的炭黑加入配制的硫酸溶液中，使用恒温水浴锅在60℃的条件下水浴反应10h，将反应后的炭黑用去离子水多次离心洗涤至中性，放入干燥箱干燥，即得羟基化炭黑。将10g羟基化炭黑分散于500mlPH为8.5的Tris缓冲溶液中，并加入4g盐酸多巴胺在室温下反应一段时间，使炭黑接枝上多巴胺。将10g多巴胺改性炭黑置于100 ml的无水 N，N－二甲基甲酰胺在室温下超声（300W）30min使均匀分散。然后加入10g的十八烷基异氰酸酯和1g三乙烯二胺催化剂在50℃下搅拌反应24h后干燥，得到烷基化炭黑。将4.8g烷基化炭黑、18g有机溶液和42g聚乙二醇800熔融共混，45℃，6000r/min高速搅拌20min，然后再在600W下超声分散30min，制备相变储能材料。

（4）储能木材：将木块浸渍于相变材料液面下，先抽真空至-0.1MPa，处理15min，然后卸除真空并加压至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。将浸渍处理后的试块用锡箔纸包好置于恒温鼓风干燥箱中，80 ℃干燥反应1 h，然后去除包装。将试块置于恒温鼓风干燥箱中采用 60 ℃干燥2 h、升温至 80 ℃干燥 4 h、105 ℃干燥4 h 的方式烘至恒质量，得到储能木材。

Claims (2)

1.一种以烷基化炭黑为填料的储能木材构筑方法，所述方法的主要步骤是：

（1）利用氢氧化钠和亚硫酸钠对木材进行脱木素处理，以打开细胞壁间隙，提高储能空间；

（2）将甲基丙烯酸缩水甘油酯经氧化铝过柱，得纯化的甲基丙烯酸缩水甘油酯；将甲基丙烯酸缩水甘油酯和聚乙二醇400混合，得混合物，然后加入甲苯和三乙胺，混合均匀，倒入带有搅拌装置和回流装置的三口瓶中；将带有搅拌装置和回流装置的三口瓶置于90℃的油浴锅中，同时通入氮气，搅拌回流，得溶液A；然后向溶液A中加入HCl溶液至PH值为中性，然后进行旋蒸；将旋蒸后的产物溶解在乙酸乙酯中，并用饱和食盐水洗涤3次；然后将有机相经分液漏斗分离出来，再次旋蒸，得溶液B；将甲基丙烯酸缩水甘油酯和溶液B按2:1的体积比共混，并加入偶氮二异丁腈，室温下剧烈搅拌1h，得反应性有机溶液，其中，偶氮二异丁腈的加入量为反应性有机溶液质量的1％~4％；

（3）将炭黑分散于硫酸溶液中加热制备羟基化炭黑，然后将羟基化炭黑分散于PH为8.5的Tris缓冲溶液中，并加入盐酸多巴胺在室温下反应一段时间，使炭黑接枝上多巴胺，最后利用十八烷基异氰酸酯对多巴胺改性炭黑进行疏水处理，得到烷基化炭黑，将烷基化炭黑、步骤（2）中制备的有机溶液和聚乙二醇800熔融共混，调控三者之间的物料比和反应条件，制备相变储能材料，其中，步骤（2）中制备的有机溶液和聚乙二醇800的质量比为3:7，烷基化炭黑的质量为步骤（2）中制备的有机溶液和聚乙二醇800质量总数的5％~10％；

（4）采用真空加压满细胞法将相变储能材料浸入木材内，得到储能木材。

2.根据权利要求1所述的一种以烷基化炭黑为填料的储能木材构筑方法，其特征在于所述步骤（1）中氢氧化钠浓度为2mol/L~5mol/L；亚硫酸钠浓度0.1mol/L~1mol/L。

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