CN112818555A - 木质素作为红外光热转换材料的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开木质素作为红外光热转换材料的应用，涉及光热转换材料技术领域，所述红外光热转换材料的制备方法包括以下步骤：将木质素与聚酰胺共混，然后置于100‑180℃条件下压制成薄膜，然后在红外光下照射。本发明的有益效果在于：本发明以木质素为原料，将其应用于近红外光热转换材料，在近红外光照射下实现光热转换，样品表面温度显著升高，为生物基红外理疗护具的制备奠定基础。

Description

木质素作为红外光热转换材料的应用

技术领域

本发明涉及光热转换材料技术领域，具体涉及一种木质素作为红外光热转换材料的应用。

背景技术

在众多的太阳能利用方式中，光热转换是最直接、最有效的，光热转换材料作为实现光热转换的载体，其性能对提高太阳能的利用效率尤为重要。近红外光因其在太阳光中较高的能量占比而来源丰富，同时相比于易被黑色素和血红蛋白吸收的可见光，或者能被水强吸收的中远红外光，近红外光兼具对生物组织的强穿透能力，因此在光热治疗、光驱动智能器件等医学和能源领域受到广泛重视。

然而，实现近红外光的高效利用极具挑战，由于近红外光波长较长，光子本身能量较低，难以直接启动光化学反应；同时，能吸收近红外光的材料，因其吸收光能之后产生的激子自身易于复合，难以通过光电转换的途径将近红外光直接吸收利用。光热材料能够对较宽波段范围内的太阳光谱产生吸收，并在这些波段内具有较强的吸收和转换的能力，大多需要添加如金、银、钯等金属纳米颗粒来完成光热转换，如公开号为CN108939073A的专利申请公开一种近红外响应的光动力光热治疗纳米复合材料的制备及其应用。现有技术中的光热材料具有较大的比表面积和良好的表面等离子体共振特性，但由于单个颗粒仅能吸收部分波段范围的太阳光谱，它们往往需要负载在纤维素纤维、纳米氧化铝模板等材料上以增大对光谱的吸收范围。相比于金属和半导体材料，碳基和聚合物基高分子材料则具有更为宽泛的光谱吸收范围和较高的吸收及转换能力，部分碳基材料还有较低成本、可大量获得等特点。

木质素(Lignin)是地球上第二丰富的天然聚合物，广泛存在于植物的细胞壁，已被认为是一种很有前途的替代现有化石燃料的资源。木质素的成本低、含量丰富、环境友好和良好的抗紫外线辐射性能，使得木质素存在许多潜在的应用。如公开号为CN111718591A的专利申请公开一种含有木质素的生物基复合材料及其制备方法，利用具有良好机械性能的长链脂肪族聚酰胺弹性体增韧木质素，该弹性体与木质素在熔融状态具有良好的相容性，从而制备出力学性能优异的木质素基复合材料。除此之外，还有关于木质素的其他研究。但目前大部分研究为提高木质素的力学性能，在红外光热转换领域研究较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的光热转换材料大部分基于纳米颗粒实现，木质素作为丰富的原料来源，难以加工利用，在红外光热转换领域研究较少。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：

木质素作为红外光热转换材料的应用，所述红外光热转换材料的制备方法包括以下步骤：将木质素与聚酰胺聚合物共混后，置于100-180℃条件下压制成薄膜，然后在红外光下照射。

有益效果：本发明以木质素为原料，将其应用于红外光热转换材料，在近红外光照射下实现光热转换，样品表面温度显著升高，为生物基红外理疗护具的制备奠定基础。

本发明中的木质素和聚酰胺应用于红外光热转化材料，具有快速、高效、精准控制的光热转换性能，打破了无法将木质素和聚酰胺作为光热转换材料的观点，纯木质素虽然具有一定的吸光性能，但是难以加工利用，而纯聚酰胺弹性体不具备光热转换性能，只有将两者共混制备复合材料，才能提高了木质素的应用价值，拓展了木质素与聚酰胺的应用领域。

优选地，所述红外光为近红外光或远红外光。

有益效果：本发明通过调整光源种类调整红外光强度，可以制备不同升温速度、不同温度期间的光热转换材料。

优选地，所述近红外光的波长为808nm。

有益效果：光热转换性能由808nm近红外光在室温下触发，光热转换材料表现出快速、高效的光热转换性能，仅照射5s，样品表面最高温度便接近100℃，且具有稳定的光热转换性能，在每个循环内均保持相似的升温速率，

优选地，所述木质素为硫酸盐木质素、有机木质素、碱木素、酶解木质素和木质素磺酸盐中的一种或多种。

优选地，所述木质素与聚酰胺共混包括熔融共混，具体包括以下步骤：

(1)将木质素和聚酰胺分别置于真空烘箱中，在40-100℃的温度预处理4-12h，备用；

(2)将步骤(1)中的预处理料加入密炼机中，以80-150℃的温度，80-150r/min的转速，混炼3-15min。

优选地，所述木质素的重量份数为40-60份，聚酰胺的重量份数为40-60份。

有益效果：通过调整木质素含量可以获得不同升温温度、不同温度区间的近红外光热转换材料。

优选地，所述近红外光光源与近红外光热转换材料表面的距离为30-50cm。

有益效果：不同光源处的吸热性能不同，距离为30cm时的升温速率最快，10分钟能够达到70℃左右，随着距离的增加，升温速率逐渐降低，当距离增加至50cm时，其最终温度可以温度在38℃，贴近人体温度，通过改变木质素含量、可以调控光热转换材料的升温速率，为生物基红外理疗护具的制备奠定基础。

优选地，所述木质素与聚酰胺共混包括溶液共混，具体包括以下步骤：

(1)将木质素和聚酰胺分别置于真空烘箱中，在40-100℃的温度预处理4-12h，备用；

(2)将步骤(1)中的预处理料溶解在良溶剂中，形成溶液；

(3)将步骤(2)制得的溶液中的溶剂挥发。

有益效果：溶液共混制备的材料也具有光热转换性能，但是本发明中的溶液共混多适用于木质素含量较少的情况，当木质素含量较多时，复合材料中木质素分布不均匀，极大影响了光热转换的稳定性。

优选地，所述良溶剂为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种。

优选地，所述近红外光热转换材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将40重量份木质素和60重量份聚酰胺分别置于真空烘箱中，在40-100℃的温度预处理4-12h，备用；

(2)将步骤(1)中的预处理料加入密炼机中，以80-150℃的温度，80-150r/min的转速，混炼3-15min；

(3)然后将步骤(2)中混炼后的混合物置于100-180℃条件下压制成薄膜，然后在808nm的近红外光下照射。

优选地，所述近红外光热转换材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将50重量份木质素和50重量份聚酰胺分别置于真空烘箱中，在40-100℃的温度预处理4-12h，备用；

(2)将步骤(1)中的预处理料加入密炼机中，以80-150℃的温度，80-150r/min的转速，混炼3-15min；

(3)然后将步骤(2)中混炼后的混合物置于100-180℃条件下压制成薄膜，然后在808nm的近红外光下照射。

优选地，所述近红外光热转换材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将60重量份木质素和40重量份聚酰胺分别置于真空烘箱中，在40-100℃的温度预处理4-12h，备用；

(2)将步骤(1)中的预处理料加入密炼机中，以80-150℃的温度，80-150r/min的转速，混炼3-15min；

(3)然后将步骤(2)中混炼后的混合物置于100-180℃条件下压制成薄膜，然后在808nm的近红外光下照射。

优选地，所述红外光热转换材料作为红外理疗护具的应用。

本发明的优点在于：本发明以木质素为原料，将其应用于红外光热转换材料，在近红外光照射下实现光热转换，样品表面温度显著升高，为生物基红外理疗护具的制备奠定基础。

本发明中的木质素和聚酰胺应用于红外光热转化材料，具有快速、高效、精准控制的光热转换性能，打破了无法将木质素和聚酰胺作为光热转换材料的观点，纯木质素虽然具有一定的吸光性能，但是难以加工利用，而纯聚酰胺弹性体不具备光热转换性能，只有将两者共混制备复合材料，才能提高了木质素的应用价值，拓展了木质素与聚酰胺的应用领域。

本发明通过调整光源种类调整红外光强度、木质素含量、光源距离，可以制备不同升温速度、不同温度期间的光热转换材料。

溶液共混制备的材料也具有光热转换性能，但是本发明中的溶液共混多适用于木质素含量较少的情况，当木质素含量较多时，复合材料中木质素分布不均匀，极大影响了光热转换的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例1-3和对比例1中制得的木质素基复合材料在远红外光下的光热转换性能图；

图2为本发明实施例2中制得的木质素基复合材料离光源不同距离处的光热转换性能图；

图3为本发明实施例1-3和对比例1中制得的木质素基复合材料在太阳光下的光热转换性能图；

图4为本发明实施例1-3和对比例1中制得的木质素基复合材料紫外-近红外光谱图；

图5为本发明实施例1-3和对比例1中制得的木质素基复合材料热红外相机图；

图6为本发明实施例2中制得的木质素基复合材料在808nm近红外光照射下循环升温图。

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，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。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。

下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

以下实施例和对比例中的聚酰胺为专利CN107501554A《一种超高强度热塑性弹性体及其制备方法》实施例1中公开的聚酰胺聚合物。

实施例1

木质素作为红外光热转换材料的应用，近红外光热转换材料的制备方法具体包括以下步骤：

(1)将40份未改性的木质素(未对木质素进行化学基团的修饰改性)和60份聚酰胺分别在真空烘箱中以80℃的温度预处理12h，物料干燥制得预处理料，备用；

(2)按照重量份数，将步骤(1)中制备的预处理料加入密炼机中，以100℃的温度，100r/min的转速，混炼10min，制备木质素复合材料；

(3)将步骤(2)中制备的木质素复合材料投入真空压片机中，于150℃条件下压制成型，然后在红外光下照射。

实施例2

木质素作为红外光热转换材料的应用，近红外光热转换材料的制备方法具体包括以下步骤：

(1)将50份未改性的木质素(未对木质素进行化学基团的修饰改性)和50份聚酰胺分别在真空烘箱中以80℃的温度预处理12h，物料干燥制得预处理料，备用；

(2)按照重量份数，将步骤(1)中制备的预处理料加入密炼机中，以100℃的温度，100r/min的转速，混炼10min，制备木质素复合材料；

(3)将步骤(2)中制备的木质素复合材料投入真空压片机中，于150℃条件下压制成型，然后在红外光下照射。

实施例3

木质素作为红外光热转换材料的应用，近红外光热转换材料的制备方法具体包括以下步骤：

(1)将60份未改性的木质素(未对木质素进行化学基团的修饰改性)和40份聚酰胺分别在真空烘箱中以80℃的温度预处理12h，物料干燥制得预处理料，备用；

(2)按照重量份数，将步骤(1)中制备的预处理料加入密炼机中，以100℃的温度，100r/min的转速，混炼10min，制备木质素复合材料；

(3)将步骤(2)中制备的木质素复合材料投入真空压片机中，于150℃条件下压制成型，然后在红外光下照射。

实施例4

木质素作为红外光热转换材料的应用，近红外光热转换材料的制备方法具体包括以下步骤：

(1)将40份未改性的硫酸盐木质素(未对木质素进行化学基团的修饰改性)和60份聚酰胺分别在真空烘箱中以80℃的温度预处理12h，物料干燥制得预处理料，备用；

(2)按照重量份数，将步骤(1)中干燥后的木质素和聚酰胺混合，并溶解在20mL四氢呋喃中，形成溶液，制备木质素复合材料；

(3)将步骤(2)中制备的木质素复合材料投入真空压片机中，于150℃条件下压制成型，然后在红外光下照射。

实施例5

木质素作为红外光热转换材料的应用，近红外光热转换材料的制备方法具体包括以下步骤：

(1)将50份未改性的碱木质素(未对木质素进行化学基团的修饰改性)和50份聚酰胺分别在真空烘箱中以80℃的温度预处理12h，物料干燥制得预处理料，备用；

(2)按照重量份数，将步骤(1)中干燥后的木质素和聚酰胺混合，并溶解在20mL四氢呋喃中，形成溶液，制备木质素复合材料；

(3)将步骤(2)中制备的木质素复合材料投入真空压片机中，于150℃条件下压制成型，然后在红外光下照射。

实施例6

木质素作为红外光热转换材料的应用，近红外光热转换材料的制备方法具体包括以下步骤：

(1)将60份未改性的碱木质素(未对木质素进行化学基团的修饰改性)和40份聚酰胺分别在真空烘箱中以80℃的温度预处理12h，物料干燥制得预处理料，备用；

(2)按照重量份数，将步骤(1)中干燥后的木质素和聚酰胺混合，并溶解在20mL四氢呋喃中，形成溶液，制备木质素复合材料；

(3)将步骤(2)中制备的木质素复合材料投入真空压片机中，于150℃条件下压制成型，然后在红外光下照射。

实施例7

木质素作为红外光热转换材料的应用，近红外光热转换材料的制备方法具体包括以下步骤：

(1)将40份木质素和60份聚酰胺分别置于真空烘箱中，在80℃的温度预处理12h，备用；

(2)将步骤(1)中的预处理料溶解在20mL四氢呋喃中，形成溶液；

(3)将步骤(2)制得的溶液倒入模具中挥发溶剂。

对比例1

本对比例与实施例1的区别之处在于：将40份未改性的木质素(未对木质素进行化学基团的修饰改性)和60份聚酰胺替换成100份聚酰胺，其他步骤相同。

实验数据与分析

对实施例1-实施例3中近红外光热转换材料的性能进行测定，下述测定方法均为现有技术：

(1)对不同光源照射下的升温速率进行测定。

(2)对不同光源距离照射下的升温速率进行测定。

(3)对光热转换材料的紫外-近红外光吸收性能测定。

(4)对光热转换材料的光热转换稳定性能测定。

图1与图3分别为远红外光和太阳光照射下对比例1、实施例1-3的吸热示意图，可以发现该光热转换材料对红外光有更好的吸收性能，随着材料中木质素含量的增加，光热转换材料的吸热速率明显增加，实施例1-3在10分钟内其表面温度能够达到70℃左右，对比例1的表面温度虽然也能够达到50℃左右，但是其升温速率明显降低，证明了木质素与生物基聚酰胺熔融共混后，能够快速完成光热转换。

图2为实施例2在不同光源距离处的吸热性能，我们可以发现当光源到光热转换材料表面的距离为30、40、50cm时，其表现出显著的差异，距离为30cm时的升温速率最快，10分钟能够达到70℃左右，随着距离的增加，升温速率逐渐降低，当距离增加至50cm时，其最终温度可以温度在38℃，贴近人体温度，通过改变木质素含量、光源距离可以调控光热转换材料的升温速率，为生物基红外理疗护具的制备奠定基础。

图4为对比例1、实施例1-3的紫外-近红外吸收光谱图，可以发现在生物基聚酰胺中加入木质素后，光热转换材料表现出优异的紫外吸收性能，在近红外区域也存在一定程度上的吸收，极大拓展了光热转换材料的应用领域。

图5为对比例1、实施例1-3的热红外成像图，可以看出添加木质素的复合材料在808nm近红外光照射下表现出快速、高效的光热转换性能，仅照射5s，样品表面最高温度便接近100℃，这是纯聚酰胺薄膜(对比例1)无法到达的。图6为实施例2在808nm近红外光照射下的循环升温示意图，在5个循环过程中，光热转换材料表现出稳定的光热转换性能，在每个循环内均保持相似的升温速率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.木质素作为红外光热转换材料的应用，其特征在于：所述红外光热转换材料的制备方法包括以下步骤：将木质素与聚酰胺共混后，置于100-180℃条件下压制成薄膜，然后在红外光下照射。

2.根据权利要求1所述的木质素作为红外光热转换材料的应用，其特征在于：所述红外光为近红外光或远红外光。

3.根据权利要求2所述的木质素作为红外光热转换材料的应用，其特征在于：所述近红外光的波长为808nm。

4.根据权利要求1所述的木质素作为红外光热转换材料的应用，其特征在于：所述木质素为硫酸盐木质素、有机木质素、碱木素、酶解木质素和木质素磺酸盐中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的木质素作为红外光热转换材料的应用，其特征在于：所述木质素与聚酰胺共混包括熔融共混，具体包括以下步骤：

(1)将木质素和聚酰胺分别置于真空烘箱中，在40-100℃的温度预处理4-12h，备用；

(2)将步骤(1)中的预处理料加入密炼机中，以80-150℃的温度，80-150r/min的转速，混炼3-15min。

6.根据权利要求5所述的木质素作为红外光热转换材料的应用，其特征在于：所述木质素的重量份数为40-60份，聚酰胺的重量份数为40-60份。

7.根据权利要求1所述的木质素作为红外光热转换材料的应用，其特征在于：所述近红外光与近红外光热转换材料表面的距离为30-50cm。

8.根据权利要求1所述的木质素作为红外光热转换材料的应用，其特征在于：所述木质素与聚酰胺共混包括溶液共混，具体包括以下步骤：

(1)将木质素和聚酰胺分别置于真空烘箱中，在40-100℃的温度预处理4-12h，备用；

(2)将步骤(1)中的预处理料溶解在良溶剂中，形成溶液；

(3)将步骤(2)制得的溶液中的溶剂挥发。

9.根据权利要求1所述的木质素作为红外光热转换材料的应用，其特征在于：所述近红外光热转换材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将50重量份木质素和50重量份聚酰胺分别置于真空烘箱中，在40-100℃的温度预处理4-12h，备用；

(2)将步骤(1)中的预处理料加入密炼机中，以80-150℃的温度，80-150r/min的转速，混炼3-15min；

(3)然后将步骤(2)中混炼后的混合物置于100-180℃条件下压制成薄膜，然后在808nm的近红外光下照射。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的木质素作为红外光热转换材料的应用，其特征在于：所述红外光热转换材料作为红外理疗护具的应用。

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