CN113319956A - 一种热诱导柔性相变储能木材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热诱导柔性相变储能木材的制备方法，按下述步骤进行：a、以N,N二甲基甲酰胺为溶剂，配置0.05‑0.2mol/L三乙醇胺溶液50‑70份和0.1‑0.4mol/L三苯基甲烷三异氰酸酯溶液40‑60份；b、将步骤a中的三乙醇胺溶液加入三苯基甲烷三异氰酸酯溶液中，在60‑80℃下搅拌10‑15小时，获得预聚体；c、向预聚体中加入10‑20份聚乙二醇‑1500，在60‑80℃下搅拌20‑30小时，获得固‑固相变材料；d、将脱木素木材放入固‑固相变材料中，真空浸渍20‑40分钟后干燥，获得成品。本发明制备的相变储能木材不仅具备蓄热储能的能力，而且柔韧性好。

Description

一种热诱导柔性相变储能木材的制备方法
技术领域
本发明涉及相变材料和木材加工技术领域，具体涉及一种热诱导 柔性相变储能木材的制备方法。
背景技术
随着全球范围内石油、煤炭、天然气三种传统能源的逐渐枯竭， 以及温室效应、臭氧层破坏等环境问题的日趋严重，绿色低碳成为全 球建筑材料领域研究的热点方向，特别是欧美国家在此方面已取得了 长足发展。在我国，建筑能耗占全国总能耗的30％，建筑碳排放占总 排放量的50％，对我国的国民经济造成了巨大负担并且严重污染环境， 而我国绿色低碳建材研究起步较晚，保温隔热效果较差，能耗较高以 及普及率较低。因此，研发绿色建筑节能材料，推动建筑节能领域发 展符合时代需求，具有重要意义。
相变储能材料是指随环境温度变化而改变自身物理状态，进而吸 收或者释放大量潜热的物质，且自身温度保持不变，主要分为固-液、 固-固、液-汽相变材料，是绝佳的绿色建筑节能材料。木材是一种天 然的三维多层次多孔材料，具有高强重比、良好的声学和美学特性， 以及良好的加工性能，作为建筑材料和家具结构材料已经有了数千年 的历史，也是一种性能优良的节能建材。利用木材的多孔性，在一定 压力、温度下将改性药剂注入木材内部可以赋予木材更多的功能，如 防腐、防霉、阻燃功能等。目前建筑行业有采用相变储能材料与木材 有机结合，制备出具有储-放热能力的相变储能木材，并应用于木质 地板、木质门以及木天花板等室内装饰用材，实现节能环保的目的， 但现有的相变储能材料目前普遍存在易泄露，材料柔性差和导热系数 低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热诱导柔性相变储能木材的制备方 法。本发明制备的相变储能木材不仅具备蓄热储能的能力，而且柔韧 性好。
本发明的技术方案如下：一种热诱导柔性相变储能木材的制备方 法，按下述步骤进行：
a、以N,N二甲基甲酰胺为溶剂，配置0.05-0.2mol/L三乙醇胺 溶液50-70份和0.1-0.4mol/L三苯基甲烷三异氰酸酯溶液40-60 份；
b、将步骤a中的三乙醇胺溶液加入三苯基甲烷三异氰酸酯溶液 中，在60-80℃下搅拌10-15小时，获得预聚体；
c、向预聚体中加入10-20份聚乙二醇-1500，在60-80℃下搅拌 20-30小时，获得固-固相变材料；
d、将脱木素木材放入固-固相变材料中，真空浸渍20-40分钟后 干燥，获得成品。
上述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，步骤a中，配置 0.1mol/L三乙醇胺溶液58份,配置0.27mol/L三苯基甲烷三异氰酸 酯溶液48份。
前述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，步骤b中，将三乙 醇胺溶液加入三苯基甲烷三异氰酸酯溶液中，在70℃下搅拌12小时。
前述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，其特征在于：步骤 c中，向预聚体中加入15份聚乙二醇-1500，在70℃下搅拌24小时。
前述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，所述脱木素木材的 制备过程是，将2-3mol/L的氢氧化钠溶液和0.3-0.5mol/L的亚硫 酸钠溶液混合配置成混合溶液，混合溶液中氢氧化钠溶液体积占总混 合溶液体积的18-23％，亚硫酸钠体积占总混合液体积的20％；再将木 材置于氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中煮沸直至混合溶液的颜色 不在发生变化，再更换新的混合溶液重复上述步骤3-5次；最后将煮 沸后的木材用去离子水煮沸清洗，期间更换去离子水，直至煮沸清洗 用的去离子水的酸碱值趋向中性，取出清洗后的木材即为脱木素木 材。
前述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，将脱木素木材放入 N,N二甲基甲酰胺溶液中密封浸泡10小时，使得脱木素木材中的水 分置换为N,N二甲基甲酰胺溶液。
前述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，步骤d中，将脱木 素木材放入固-固相变材料中，再加入占固-固相变材料总质量0.1％ 的石墨烯粉末在0.1MPa下浸渍10分钟/次，共浸渍2-4次，用以提 高相变储能木材的导热系数。
前述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，步骤d中，所述的 干燥为60-80℃的真空干燥。
与现有技术相比，本发明以三乙醇胺为骨架物质，聚乙二醇为软 段，三苯基甲烷三异氰酸酯为扩链剂，通过接枝共聚制备固-固相变 材料，并将其浸渍到脱木素木材中，真空干燥固化，将固-固相变材 料均匀填充在脱木素木材内部的导管与纤维中，制得的相变储能木材 不仅具有良好的储能储热能力，而且具有非常良好的柔韧性。此外， 本发明进一步的优化了脱木素木材的制备过程，可以脱除木材的大部 分木质素来扩大木材的孔间隙，增大微孔的孔径，便于后续的固-固 相变材料的填的填充；本发明还将脱木素木材放入N,N二甲基甲酰 胺溶液中密封浸泡，用于将脱木素木材的水份替换为N,N二甲基甲 酰胺溶液，方便后续固-固相变材料的融入，同时本发明采用真空浸 渍的方式将木材浸渍在固-固相变材料进行处理，采用真空浸渍，可 以将木材细胞中的空气抽出，方便固-固相变材料能够渗透至木材的 细胞内，使得木材能够充分吸收固-固相变材料，用于后续的相变储 能，同时本发明在真空浸渍时，还添加了石墨烯作为导热材料，提高 了相变储能木材的导热系数，便于进行热循环。本发明制备的相变储 能木材使用寿命长，制备方法简单，成本低廉，适合大面积推广，对 于调节室内温度和实现建筑节能具有重要意义。
附图说明
图1为本发明制备的热诱导柔性相变储能木材成品示意图；
图2为本发明制备的热诱导柔性相变储能木材成品柔韧性展示示 意图；
图3中(a)为轻木的横切面；(b)脱木素轻木的横切面；(c) 脱木素木材的径切面；(d)和(e)分别为实施例4和实施例5制备 的热诱导柔性相变储能木材的横切面；(f)为实施例4中热诱导柔 性相变储能木材的径切面；
图4为本发明制备的热诱导柔性储能木材进行热稳定测试热降解 曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对 本发明限制的依据，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容， 而且通过以下实施例可以使本领域普通技术人员更全面的理解本发 明。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所 述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1：一种热诱导柔性相变储能木材的制备方法，将2mm 厚的轻木进行处理，裁成长×宽为40mm×20mm的木片备用，并按 下述步骤进行：
a、以N,N二甲基甲酰胺为溶剂，配置0.08mol/L三乙醇胺溶液 53g和0.3mol/L三苯基甲烷三异氰酸酯溶液45g；
b、将步骤a中的三乙醇胺溶液加入三苯基甲烷三异氰酸酯溶液 中，在75℃下搅拌12小时，获得预聚体；
c、向预聚体中加入13g聚乙二醇-1500，在75℃下搅拌28小时， 获得固-固相变材料；
d、将脱木素木材放入固-固相变材料中，真空浸渍(0.1MPa)25 分钟后干燥，获得成品。
实施例2：一种热诱导柔性相变储能木材的制备方法，将2mm 厚的轻木进行处理，裁成长×宽为40mm×20mm的木片备用，并按 下述步骤进行：
a、以N,N二甲基甲酰胺为溶剂，配置0.15mol/L三乙醇胺溶液 65g和0.2mol/L三苯基甲烷三异氰酸酯溶液55g；
b、将步骤a中的三乙醇胺溶液加入三苯基甲烷三异氰酸酯溶液 中，在65℃下搅拌15小时，获得预聚体；
c、向预聚体中加入18g聚乙二醇-1500，在65℃下搅拌25小时， 获得固-固相变材料；
d、将脱木素木材放入固-固相变材料中，真空浸渍(0.1MPa)35 分钟后干燥，获得成品。
实施例3：一种热诱导柔性相变储能木材的制备方法，将2mm 厚的轻木进行处理，裁成长×宽为40mm×20mm的木片备用，并按 下述步骤进行：
a、以N,N二甲基甲酰胺为溶剂，配置0.1mol/L三乙醇胺溶液 58g和0.27mol/L三苯基甲烷三异氰酸酯溶液48g；
b、将步骤a中的三乙醇胺溶液加入三苯基甲烷三异氰酸酯溶液 中，在70℃下搅拌12小时，获得预聚体；
c、向预聚体中加入15g聚乙二醇-1500，在70℃下搅拌24小时， 获得固-固相变材料；
d、将脱木素木材放入固-固相变材料中，真空浸渍(0.1MPa)30 分钟后干燥，获得成品。
实施例4：一种热诱导柔性相变储能木材的制备方法，将2mm 厚的轻木进行处理，裁成长×宽为40mm×20mm的木片备用，并按 下述步骤进行：
a、以N,N二甲基甲酰胺为溶剂，配置0.1mol/L三乙醇胺溶液 58g和0.27mol/L三苯基甲烷三异氰酸酯溶液48g；
b、将步骤a中的三乙醇胺溶液加入三苯基甲烷三异氰酸酯溶液 中，在70℃下搅拌12小时，获得预聚体；
c、向预聚体中加入15g聚乙二醇-1500，在70℃下搅拌24小时， 获得固-固相变材料；
d、将脱木素木材放入固-固相变材料中，再加入占固-固相变材 料总质量0.1％石墨烯粉末，真空浸渍(0.1MPa)2-4次，每次10分 钟，用以提高相变储能木材的导热系数，再在70℃下真空干燥，获 得成品。
实施例5：本实施例在以上实施例的基础上，进一步的提供了一 种脱木素木材的制备过程，具体是将2-3mol/L的氢氧化钠溶液和 0.3-0.5mol/L的亚硫酸钠溶液混合配置1500ml混合溶液，混合溶 液中氢氧化钠溶液体积占总混合溶液体积的18-23％，亚硫酸钠体积 占总混合液体积的20％，再将混合溶液均等分成4份，每份250ml；
先将木材放置去离子水中抽真空，直至木材沉入水底，再将木材 置于250ml混合溶液中煮沸直至混合溶液的颜色不在发生变化，再更 换新的混合溶液重复上述步骤4次，直至4份混合溶液均消耗完毕； 最后将煮沸后的木材用去离子水煮沸清洗，期间更换去离子水，直至 煮沸清洗用的去离子水的酸碱值趋向中性即可，取出清洗后的木材再 将其放入N,N二甲基甲酰胺溶液中密封浸泡10小时，使得脱木素木 材中的水分置换为N,N二甲基甲酰胺溶液，得到最终的脱木素木材， 以此脱木素木材进行热诱导柔性相变储能木材的制备。
本发明的制备的热诱导柔性相变储能木材如图1和图2所示，在 图1和图2中可以清楚的看到在受到按压时，本发明的热诱导柔性相 变储能木材可以从由长条状变成圆环状，这证明了本发明具有良好的 柔韧性。同时申请人通过电子显微镜对轻木、脱木素轻木和本发明制 备的热诱导柔性储能木材进行切片观察，如图3所示。图3中(a) 为轻木的横切面；(b)脱木素轻木的横切面；(c)脱木素木材的径 切面；(d)和(e)分别为实施例4和实施例5制备的热诱导柔性相 变储能木材的横切面；(f)为实施例4中热诱导柔性相变储能木材的径切面。从图3中d图和f图中可以清晰看到固-固相变材料均匀 填充在脱木素木材内部的导管与纤维中，这说明本发明采用的真空加 压浸渍工艺，能够充分将固-固相变材料浸注到木材内部，从而发挥 相变储能的目的。从图3中e图还可以清晰看到实施例5中采用优化 脱木素木材的制备过程制得的脱木素木材具有多层次的多孔以及间 隙，这些多层次的多孔以及间隙可以方便后续固-固相变材料的填充 和吸附。同时，从图3的f图中可以看到，本发明可以在真空浸渍时， 还添加了石墨烯作为导热材料，石墨烯同样也充分的填充在木材的纤 维之间，从而使得本发明制备的热诱导柔性储能木材具有良好的导热 能力，提高了导热系数，便于进行热循环。进一步地，申请人还进行 了差示扫描量热仪测试，结果如表1所示：
Figure BDA0003091709060000091
表1
从表1中可以看出，本发明制备的热诱导柔性储能木材展现较优 异的蓄热储能能力，其中熔融相变潜热最高可达74.3J/g和结晶相变 潜热最高可达80.3J/g。再进一步地，申请人还对制备的热诱导柔 性储能木材进行热稳定测试，其结构如图4所示。从图4中可以看出， 本发明制备的热诱导柔性储能木材在200℃以下，热降解程度仅为 4.8％，具有优异的热稳定性。
综上所述，本发明以三乙醇胺为骨架物质(基础物质)，聚乙二 醇为软段(软段是由聚酯或聚醚多元醇组成，具有良好的附着力，耐 水性和柔韧性)，三苯基甲烷三异氰酸酯为扩链剂(又称链增长剂， 是能与线型聚合物链上的官能团反应而使分子链扩展、分子量增大的 物质。常用于提高聚氨酯、聚酯等产品的力学性能和工艺性能。)， 通过接枝共聚制备固-固相变材料，并将其浸渍到脱木素木材中，真 空干燥固化，将固-固相变材料均匀填充在脱木素木材内部的导管与 纤维中，制得的相变储能木材不仅具有良好的储能储热能力，而且具 有非常良好的柔韧性。

Claims (8)

1.一种热诱导柔性相变储能木材的制备方法，其特征在于：按下述步骤进行：
a、以N,N二甲基甲酰胺为溶剂，配置0.05-0.2mol/L三乙醇胺溶液50-70份和0.1-0.4mol/L三苯基甲烷三异氰酸酯溶液40-60份；
b、将步骤a中的三乙醇胺溶液加入三苯基甲烷三异氰酸酯溶液中，在60-80℃下搅拌10-15小时，获得预聚体；
c、向预聚体中加入10-20份聚乙二醇-1500，在60-80℃下搅拌20-30小时，获得固-固相变材料；
d、将脱木素木材放入固-固相变材料中，真空浸渍20-40分钟后干燥，获得成品。
2.根据权利要求1所述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，其特征在于：步骤a中，配置0.1mol/L三乙醇胺溶液58份,配置0.27mol/L三苯基甲烷三异氰酸酯溶液48份。
3.根据权利要求1所述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，其特征在于：步骤b中，将三乙醇胺溶液加入三苯基甲烷三异氰酸酯溶液中，在70℃下搅拌12小时。
4.根据权利要求1所述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，其特征在于：步骤c中，向预聚体中加入15份聚乙二醇-1500，在70℃下搅拌24小时。
5.根据权利要求1所述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，其特征在于：所述脱木素木材的制备过程是，将2-3mol/L的氢氧化钠溶液和0.3-0.5mol/L的亚硫酸钠溶液混合配置成混合溶液，混合溶液中氢氧化钠溶液体积占总混合溶液体积的18-23％，亚硫酸钠体积占总混合液体积的20％；再将木材置于氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中煮沸直至混合溶液的颜色不在发生变化，再更换新的混合溶液重复上述步骤3-5次；最后将煮沸后的木材用去离子水煮沸清洗，期间更换去离子水，直至煮沸清洗用的去离子水的酸碱值趋向中性，取出清洗后的木材即为脱木素木材。
6.根据权利要求5所述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，其特征在于：将脱木素木材放入N,N二甲基甲酰胺溶液中密封浸泡10小时，使得脱木素木材中的水分置换为N,N二甲基甲酰胺溶液。
7.根据权利要求1所述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，其特征在于：步骤d中，将脱木素木材放入固-固相变材料中，再加入占固-固相变材料总质量0.1％的石墨烯粉末在0.1MPa下浸渍10分钟/次，共浸渍2-4次，用以提高相变储能木材的导热系数。
8.根据权利要求1所述的热诱导柔性相变储能木材的制备方法，其特征在于：步骤d中，所述的干燥为60-80℃的真空干燥。
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