CN112609465B - 一种光热转换高导热的浸润性材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光热转换传热材料技术领域，涉及一种光热转换高导热的浸润性材料及其制备方法。首先采用原位聚合法制备了具有高效光热转换效应的高导热系数的复合填料；然后将复合填料与硅烷偶联剂溶液混合，超声处理后形成稳定的悬浮液；其次将三维多孔的海绵在悬浮液中多次浸渍，最后在鼓风烘箱中干燥固化。本发明制备的复合材料通过独特的三维多孔导热网络使得热量沿着基底骨架上复合填料组成的三维网络结构传导，使得产物具有高效的光热转换效应和传热速率，制备的复合材料具有优异的耐久性和机械性能，工艺简单、环保并且原料易得，在实际应用中具有广泛的应用前景。

Description

一种光热转换高导热的浸润性材料及其制备方法
技术领域
本发明属于光热转换传热材料技术领域，涉及一种光热转换高导热的特殊浸润性材料及其制备方法。
背景技术
近年来，光热转换材料在癌症治疗、能源产生和电子器件等领域得到了广泛的关注，特别是在太阳能驱动产生蒸汽方面得到广泛的应用，可以用于污水处理、海水淡化、蒸汽发电和高粘度溢油回收等领域。在解决当前全球能源、健康和环境方面的紧迫挑战方面表现出巨大的潜力。
目前所发展的传统光热转换填料主要有三种：一是贵金属纳米材料，如金纳米粒子，用于光热癌症治疗或智能药物传递等；二是碳材料，如碳纳米管和石墨烯及其氧化物；三是半导体纳米材料，如二氧化钛和三氧化二钛等。这些填料导热性能差，价格昂贵，并且缺乏有效的微纳米结构，从而在复合三维多孔的基底时往往需要填充大量的光热纳米粒子。因此，不仅需要高昂的制备成本，而且使复合材料可加工性和力学性能降低，光热转换效率低下，传热缓慢，严重阻碍了材料的大规模制备与应用。因此，制备高性价比、高效光热转换效应和快速传热的光热材料是该领域亟待解决的关键性难题。
专利CN110902672A使用金属纳米颗粒为催化剂，在定向的石墨烯微孔道壁上生长碳纳米管的多级结构微球形石墨烯气凝胶。专利CN110734575A以壳聚糖和PVA为基底,制备壳聚糖气凝胶，然后沉积聚吡咯得到光热转化材料。然而，此类材料导热性能不佳，制备工艺复杂，价格昂贵，不易大规模制备应用。专利CN110903608A利用多巴胺和偶联剂将六方氮化硼纳米粒子接枝在环氧树脂基体上，其利用BN提高复合材料的导热性能，制备的复合材料不具备光热转换性能，且基体材料单一。该基体环氧树脂本身存在导热性能差、交联密度高、质脆等缺点，对光热转换没有正向作用；并且其由于是膜层的制备，只适用于绝缘和封装等领域；复合材料无空隙结构，无法应用于水蒸发和降粘吸附等领域。
本发明先采用原位聚合法将光热纳米粒子沉积在高导热系数的氮化硼纳米片上，克服了纯氮化硼的弱吸光性，得到兼具高光热转换效应和高导热的复合填料。然后将少量的复合填料负载在基底上便能获得优异的光热转换效应，由于聚吡咯是导电高分子，具有优秀的光热转换性能，可将光能高效转换为热能，对光热转换起到了积极的正向作用，热流沿着基底骨架上复合填料组成的三维网络结构传导，降低了热损耗，提高了能源利用效率。此外，本发明所用三维多孔基底来源广泛，廉价易得，且无毒无害，环境友好，在实际应用中具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对上述难题，开发了一种光热转换高导热的特殊浸润性材料及其制备方法。本发明通过高光热转换效应的高导热的复合填料在基底骨架上形成三维互联网络结构，从而赋予复合材料高疏水性、高效光热转换和快速传热的性能。
本发明的目的是实现一种光热转换和快速传热特殊浸润性材料，具体制备步骤如下：
(1) 首先将氮化硼纳米片加入Tris缓冲液中，超声分散后加入一定量多巴胺搅拌反应一定的时间，真空过滤干燥后添加到一定浓度的吡咯溶液中搅拌半小时，再加入一定量的无水氯化铁，反应完成后真空过滤干燥。得到高光热转换效应和高导热系数的复合填料；
(2) 将上述复合填料与硅烷偶联剂溶液混合，超声处理形成均匀的悬浮液；
(3) 将洗净的三维多孔基底在上述悬浮液中多次浸渍后，在鼓风干燥箱里干燥固化，得到高效光热转换高导热的特殊浸润性材料。
进一步的，步骤（1）所述是通过两步聚合法依次将聚多巴胺和聚吡咯纳米粒子沉积在氮化硼纳米片上，制得高光热转换效应的高导热系数的复合填料。
进一步的，步骤（1）所述的氮化硼纳米片加入量以料液比计，氮化硼纳米片相对于Tris缓冲液的加入量为：0.5 mg/mL～5 mg/mL；Tris缓冲液pH为8.5，浓度为10×10-3 mol/L；多巴胺浓度为1 mg/mL～5 mg/mL。
进一步的，步骤（1）所述的吡咯加入量以料液比计，为1 mg/mL～5 mg/mL；无水三氯化铁与吡咯摩尔比为1:1。
进一步的，步骤（2）所述的硅烷偶联剂为聚硅氧烷和长链烷烃硅烷中的一种，加入量为步骤（2）悬浮液质量的1～3 wt%。
进一步的，步骤（3）所述的三维多孔基底为商用海绵、脱脂棉、气凝胶、生物质海绵和金属泡沫中的一种。
进一步的，步骤（3）所述的浸渍次数为1～10次。
进一步的，步骤（3）所述的干燥固化温度为50 ℃～150 ℃，时间为1 h～6 h。
与现有技术相比，本发明优点如下：
（1）传统的光热转换填料导热性能差，价格昂贵，且缺乏必要的微纳米结构。本发明采用原位聚合法将光热纳米粒子沉积在高导热系数的氮化硼纳米片上，克服了纯氮化硼的弱吸光性，得到兼具高光热转换效应和高导热的复合填料。因此，只需要少量的复合填料负载在基底上便能获得更高的光热转换性能和导热性能，提高了利用效率，降低了制备成本。
（2）传统的光热基底材料制备工艺复杂，成本较高，如气凝胶。本发明所用三维多孔基底来源广泛，廉价易得，便于大规模制备与应用。
（3）传统导热材料热量传递路径单一，本发明制备的复合材料通过独特的三维多孔导热网络使得热量沿着基底骨架上复合填料组成的三维网络结构传导，降低了热损耗，提高了能源利用效率使得产物具有高效的光热转换效应和传热速率。
（4） 本发明制备步骤简单，不涉及冗杂的化学合成方法和繁琐的技术加工，无毒无害，环境友好，并且制备的复合材料具有优异的耐久性和机械性能，在实际应用中具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，很明显下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其它类似附图。其中，
图1为本发明光热转换效应和高导热的复合填料的SEM图。
图2为本发明光热转换效应和高导热的复合填料在太阳光模拟器照射下温度随时间的变化曲线。
图3为本发明光热转换高导热的特殊浸润性材料的SEM图及水接触角。
图4为本发明光热转换高导热的特殊浸润性材料在太阳光模拟器照射下温度随时间的变化曲线。
图5为本发明光热转换高导热的特殊浸润性材料在太阳光模拟器照射下温度随时间的循环变化曲线。
图6为本发明光热转换高导热的特殊浸润性材料在恒温加热板上的顶部温度随时间的变化曲线。
图7为本发明光热转换高导热的特殊浸润性材料表面冷却温度随时间的变化。
具体实施方式
本发明提供一种高效光热转换高导热的特殊浸润性材料及其制备方法，包括下列步骤：
第一步：两步聚合法制备高光热转换效应和高导热的复合填料
在一个实施例中，该过程具体如下实现：先将氮化硼纳米片加入Tris缓冲液中，超声分散后加入一定量多巴胺搅拌反应一定的时间，真空过滤干燥后添加到一定浓度的吡咯溶液中搅拌半小时，再加入一定量的无水三氯化铁，反应完成后真空过滤干燥。
第二步：浸渍法制备高效光热转换高导热的特殊浸润性材料
在一个实施例中，该过程具体如下实现：先将第一步复合填料加入到硅烷偶联剂溶液中，超声形成均匀的悬浮液，然后将洗净的三维多孔基底在悬浮液中多次浸渍，最后干燥固化。
为使本发明的制备方案更加明了，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。有必要在此指出的是以下实施例只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，该领域的技术娴熟人员可以依据上述内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
另外，本发明中所用的字母简称，均为本领域固定简称，其中部分字母简称解释如下：h-BN：六方氮化硼；Tris：三羟甲基氨基甲烷；DA：多巴胺；PDA:聚多巴胺；Py：吡咯；PPy：聚吡咯；PB：PDA/BN；PPB：PPy-PDA/BN；PDMS:聚二甲基硅氧烷；PU：聚氨酯海绵；SEM：扫描电子显微镜。
实施例一
本实施方式按照以下步骤制备高效光热转换高导热的特殊浸润性材料：
第一步：两步聚合法制备高光热转换效应和高导热的复合填料
按料液比计，先将3 mg/mL氮化硼纳米片加入Tris缓冲液（pH=8.5，10×10-3 mol/L）中，超声分散1 h，加入2 mg/mL多巴胺搅拌反应4 h，反应液由白色变为黑棕色，真空过滤（用去离子水反复冲洗至滤液澄清）后在60 ℃烘箱中干燥得到PDA/BN。随后加到3 mg/mL吡咯水溶液中，搅拌0.5 h后加入无水三氯化铁（与吡咯的摩尔比为1：1），0～10 ℃范围内反应2 h，最后真空过滤（用去离子水反复冲洗至滤液澄清）后在60 ℃烘箱里干燥，得到复合填料PPy-PDA/BN。
第二步：浸渍法制备高效光热转换高导热的特殊浸润性材料
按料液比计，将浓度为2 mg/mL的PDMS（与道康宁184固化剂的质量比为10：1）溶于100 mL正己烷中，接着加入2 mg/mL的PPy-PDA/BN，超声处理30 min形成均匀的悬浮液。然后将洗净的脱脂棉在悬浮液中浸渍5 min，最后在90 ℃烘箱中固化2 h。
实施例二
本实施方式按照以下步骤制备高效光热转换高导热的特殊浸润性材料：
第一步：两步聚合法制备高光热转换效应和高导热的复合填料
按料液比计，先将3 mg/mL氮化硼纳米片加入Tris缓冲液（pH=8.5，10×10-3 mol/L）中，超声分散1 h，加入2 mg/mL多巴胺搅拌反应4 h，反应液由白色变为黑棕色，真空过滤（用去离子水反复冲洗至滤液澄清）后在60 ℃烘箱中干燥得到PDA/BN。随后加到3 mg/mL吡咯水溶液中，搅拌0.5 h后加入无水三氯化铁（与吡咯的摩尔比为1：1），0～10 ℃范围内反应2 h，最后真空过滤（用去离子水反复冲洗至滤液澄清）后在60 ℃烘箱里干燥，得到复合填料PPy-PDA/BN。
第二步：浸渍法制备高效光热转换高导热的特殊浸润性材料
将十六烷基三甲氧基硅烷溶于100 mL无水乙醇中，浓度为2 wt%。接着加入2 mg/mL的PPy-PDA/BN，超声处理30 min形成均匀的悬浮液。然后将洗净的PU海绵在悬浮液中浸渍5 min，最后在100 ℃烘箱中固化2 h。
实施例三
本实施方式按照以下步骤制备高效光热转换高导热的特殊浸润性材料：
第一步：两步聚合法制备高光热转换效应和高导热的复合填料
按料液比计，先将3 mg/mL氮化硼纳米片加入Tris缓冲液（pH=8.5，10×10-3 mol/L）中，超声分散1 h，加入2 mg/mL多巴胺搅拌反应4 h，反应液由白色变为黑棕色，真空过滤（用去离子水反复冲洗至滤液澄清）后在60 ℃烘箱中干燥得到PDA/BN。随后加到3 mg/mL吡咯水溶液中，搅拌0.5 h后加入无水三氯化铁（与吡咯的摩尔比为1：1），0～10 ℃反应2 h，最后真空过滤（用去离子水反复冲洗至滤液澄清）后在60 ℃烘箱里干燥，得到复合填料PPy-PDA/BN。
第二步：浸渍法制备高效光热转换高导热的特殊浸润性材料
将全氟癸基三乙氧基硅烷溶液溶于100 mL无水乙醇中，浓度为3 wt%。接着加入2mg/mL的PPy-PDA/BN，超声处理30 min形成均匀的悬浮液。然后将洗净的PU海绵在悬浮液中浸渍5 min，最后在120 ℃烘箱中固化2 h。
实施例四
本实施方式按照以下步骤制备高效光热转换高导热的特殊浸润性材料：
第一步：两步聚合法制备高光热转换效应和高导热的复合填料
按料液比计，先将3 mg/mL氮化硼纳米片加入Tris缓冲液（pH=8.5，10×10-3 mol/L）中，超声分散1 h，加入2 mg/mL多巴胺搅拌反应4 h，反应液由白色变为黑棕色，真空过滤（用去离子水反复冲洗至滤液澄清）后在60 ℃烘箱中干燥得到PDA/BN (PB)。随后加到3mg/mL吡咯水溶液中，搅拌0.5 h后加入无水三氯化铁（与吡咯的摩尔比为1：1），0～10 ℃反应2 h，最后真空过滤（用去离子水反复冲洗至滤液澄清）后在60 ℃烘箱里干燥，得到复合填料PPy-PDA/BN (PPB)。
第二步：浸渍法制备高效光热转换高导热的特殊浸润性材料
将浓度为2 mg/mL的PDMS（与道康宁184固化剂的质量比为10：1）溶于100 mL正己烷中，接着加入2 mg/mL的PPB，超声处理30 min形成均匀的悬浮液。然后将洗净的PU海绵在悬浮液中浸渍5 min，最后在90 ℃烘箱中固化2 h。
本实施例制备的高光热转换效应和高导热的复合填料的形貌结构请参阅图1，图1为本发明的高光热转换效应和高导热的复合填料的SEM图。如图1中的 (a) 所示，纯氮化硼纳米片表面光滑；如图1 中的(b) 所示，经过多巴胺修饰过后 ，氮化硼纳米片表面沉积上聚多巴胺纳米粒子；如图1中的(c) 所示，最后经过吡咯修饰后，大量的聚吡咯链沉积在氮化硼纳米片上。说明成功制备了高光热转换效应和高导热的复合填料。
请参阅图2，图2为高光热转换效应和高导热的复合填料在太阳光模拟器照射下温度随时间的变化曲线。与纯氮化硼相比，改性过后的复合填料PPB具有高的光热转换效应。
本实施例制备的高效光热转换高导热的特殊浸润性材料的形貌结构请参阅图3，图3为本发明的一种高效光热转换高导热的特殊浸润性材料的SEM图及水接触角。如图3所示，原始的PU骨架表面光滑，采用浸渍法处理过后，表面被高光热转换效应和高导热的复合填料均匀覆盖，同时获得超疏水表面，水接触角达到150°以上。
请参阅图4，图4为高效光热转换高导热的特殊浸润性材料在太阳光模拟器照射下温度随时间的变化曲线。如图4所示，与原始的PU海绵相比，复合材料PPB@PU具有高的光热转换效应。
请参阅图5，图5为高效光热转换高导热的特殊浸润性材料在太阳光模拟器照射下温度随时间的循环变化曲线。如图5所示，复合材料PPB@PU具有循环稳定的光热转换效应。
请参阅图6和图7，图6为高效光热转换高导热的特殊浸润性材料在恒温加热板上的顶部温度随时间的变化曲线，图7为高效光热转换高导热的特殊浸润性材料表面冷却温度随时间的变化。如图6和图7所示，与原始的PU海绵相比，复合材料PPB@PU具有更高的传热速率。
综上所述，本发明公开了一种高效光热转换高导热的特殊浸润性材料及其制备方法，本方法在现有技术基础上充分利用了两步聚合法制备高光热转换效应和高导热的复合填料和采用浸渍法处理三维多孔基底，获得独特的超疏水三维多孔导热网络。其反应条件温和，工艺简便易操作，原材料来源广泛，制备的复合材料具有优异的超疏水性、光热转换效应和快速传热性，并且环境友好，便于大规模制造与应用。能在光热医疗、污水处理、海水淡化、蒸汽发电和高粘度溢油回收等领域等得到很好的应用。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的一般技术人员可以对本发明的技术方案进行改进或者调整，而不脱离本发明技术方案的本质范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种光热转换高导热的浸润性材料的制备方法，其特征在于，采用原位聚合法制备了具有光热转换效应的高导热系数的复合填料；然后将复合填料与硅烷偶联剂溶液混合，超声处理后形成稳定的悬浮液；其次将三维多孔的基底材料在悬浮液中浸渍，最后干燥固化获得所述浸润性材料；
具体包括以下步骤：
(1) 通过两步聚合法依次将聚多巴胺和聚吡咯纳米粒子沉积在氮化硼纳米片上，制得高光热转换效应的高导热系数的复合填料；
(2) 将上述复合填料与硅烷偶联剂溶液混合，超声处理形成均匀的悬浮液；
(3) 将洗净的三维多孔基底在上述悬浮液中浸渍后，在鼓风干燥箱里干燥固化，得到光热转换高导热的浸润性材料；
步骤（1）具体为：首先将氮化硼纳米片加入Tris缓冲液中，超声分散后加入多巴胺搅拌反应，真空过滤干燥后添加到吡咯溶液中搅拌半小时，再加入无水三氯化铁，反应完成后真空过滤干燥，得到高光热转换效应和高导热系数的复合填料；
步骤（1）中氮化硼纳米片加入量以料液比计，氮化硼纳米片相对于Tris缓冲液的加入量为：0.5 mg/mL～5 mg/mL；Tris缓冲液pH为8.5，浓度为10×10-3 mol/L；多巴胺浓度为1mg/mL～5 mg/mL， 吡咯加入量以料液比计，为1 mg/mL～5 mg/mL；无水三氯化铁与吡咯摩尔比为1:1。
2.根据权利要求1所述的一种光热转换高导热的浸润性材料的制备方法，其特征在于，硅烷偶联剂为聚硅氧烷和长链烷烃硅烷中的一种，加入量为步骤（2）悬浮液质量的1～3wt%。
3.根据权利要求1所述的一种光热转换高导热的浸润性材料的制备方法，其特征在于，三维多孔基底为商用海绵、脱脂棉、气凝胶、生物质海绵和金属泡沫中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种光热转换高导热的浸润性材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）浸渍次数为1～10次。
5.根据权利要求1所述的一种光热转换高导热的浸润性材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）干燥固化温度为50 ℃～150 ℃，时间为1 h～6 h。
6.一种如权利要求1-5任一项所述制备方法获得的光热转换高导热的浸润性材料。
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