CN113771166B - 一种可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法，本发明涉及改性木材的处理方法，它为了解决现有常规热管理方法能耗高，环境污染大的问题。处理方法：一、热管理木材的制备；二、预浸渍处理；三、热管理木材的模式切换。本发明所用的浸渍材料苯乙醇和乙醇均无毒，材料在辐射制冷和收集太阳光加热两个模式均有优异的光学性能，且兼顾了柔性和韧性，成本低廉的同时可自然降解。

Description

一种可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法。
背景技术
全世界对舒适环境的需求使得对建筑物内部的制冷和制热成了普遍的需求，并且是目前人类社会的最大能源消耗。当前，常用的调节温度方法，诸如空调之类的冷却和加热技术具有较低的冷却效率和高的能耗，并且加剧了温室效应和破坏臭氧层。随着辐射制冷技术的发展，无能耗降温成为了热门研究，但现阶段辐射制冷技术存在着无法兼顾柔性和强度，成本高，难降解，不能适用于因环境温度变换而对材料的不同要求等问题，同时在寒冷冬季的高昂加热成本也是一大重要的能源消耗。
中国专利申请号为CN 103287014B，名称为《满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料》的专利中公开了满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料，但其仅能在白天进行太阳能集热，晚上进行辐射制冷。主要目的是对太阳能的吸收，并不具备对建筑物温度调控的能力，并不满足人们对热管理的需求。
中国专利申请号为CN 107975895A，名称为《基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置及其方法》的专利中公开了一种基于辐射制冷和相变储能的复合节能装置及其方法，该专利无法兼顾材料的柔性和韧性，适用范围受到局限。同时该专利只能在无能耗制冷，无法根据需求改变制冷和制热模式。
中国专利申请号为CN 109945363A，名称为《一种具有温度自适应性的辐射制冷系统及调控方法》的专利中公开了一种具有温度自适应性的辐射制冷系统及调控方法，其高分子辐射制冷材料难以降解环境污染大，冬季低温时仅关闭了辐射制冷效果，并不能有效利用太阳能来加热空间，不适用于需要升温的环境。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有常规热管理方法能耗高，环境污染大，而提供一种可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法。
本发明可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法按下列步骤实现：
一、热管理木材的制备——制备醋酸缓冲溶液(pH 4.6)的0.5wt％～3wt％的NaClO2作为木质素去除溶液，将干燥的木块在10kPa的压力下完全浸入木质素去除溶液中5～24小时；在80℃下水浴5～24小时，期间每2～5小时更换一次溶液。然后将处理过的木材在水中浸泡24～48小时，最后冷冻干燥。制备出热管理木材的辐射制冷模式；
二、预浸渍处理——将热管理木材放入无水乙醇中浸泡5～20分钟，进行预浸渍处理。
三、热管理木材的模式切换——将苯乙醇溶液浸满上述材料后，材料变得透明，允许太阳通过，从而获得热管理木材的太阳加热模式。将苯乙醇换成乙醇后，材料再次变白，重新转换为辐射制冷模式。通过乙醇和苯乙醇的交替浸渍，热管理木材可以在辐射制冷和太阳加热模式之间切换。
本发明先将木材木质素去除，然后通过乙醇和苯乙醇的交替浸渍，热管理木材可以在辐射制冷和太阳加热模式之间切换。木材的吸热基团随着木质素的脱除而去除，同时多孔的生成，增加了材料对太阳光的散射。木材纤维素对8～13微米的高红外辐射，使得材料实现了辐射制冷效果。当与纤维素折射率相同的苯乙醇浸渍之后，材料透明度升高，可以允许太阳透过，当作为屋顶材料时，可以来给屋内物体升温。
本发明所用的浸渍材料苯乙醇和乙醇均无毒，材料在辐射制冷和收集太阳光加热两个模式均有优异的光学性能，且兼顾了柔性和韧性，成本低廉的同时可自然降解。
附图说明
图1为实施例一中得到的热管理木材——制热模式(左)和辐射制冷模式(右)；
图2为实施例一中步骤一所用杨木素材表面的扫描电子显微镜图；
图3为实施例一得到的热管理木材表面的扫描电子显微镜图；
图4、5为实施例一得到的热管理木材的柔性测试图；
图6为实施例一得到的热管理木材的拉伸强度图；
图7为实施例一得到的热管理木材的辐射冷却功率图；
图8为实施例一得到的热管理木材的加热功率图；
图9为实施例一得到的热管理木材在夏季室外的温度图，1—木材素材、2—周围空气、3—制冷状态热管理木材；
图10为实施例一得到的热管理木材在冬季室外的温度图，1—加热状态热管理木材，2—木材素材，3—制冷状态热管理木材；
图11为实施例一得到的热管理木材制作的房屋模型刚放到室外的红外热成像图，1—木材素材，2—制冷状态热管理木材，3—加热状态热管理木材；
图12为实施例一得到的热管理木材制作的房屋模型放到室外2小时后的红外热成像图，1—木材素材，2—制冷状态热管理木材，3—加热状态热管理木材；
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法按下列步骤实施：
一、热管理木材的制备——制备醋酸缓冲溶液(pH 4.6)的0.5wt％～3wt％的NaClO2作为木质素去除溶液，将干燥的木块在10kPa的压力下完全浸入木质素去除溶液中5～24小时；在80℃下水浴5～24小时，期间每2～5小时更换一次溶液。然后将处理过的木材在水中浸泡24～48小时，最后冷冻干燥。制备出热管理木材的辐射制冷模式；
二、预浸渍处理——将热管理木材放入无水乙醇中浸泡5～20分钟，进行预浸渍处理。
三、热管理木材的模式切换——将苯乙醇溶液浸满上述材料后，材料变得透明，允许太阳通过，从而获得热管理木材的太阳加热模式。将苯乙醇换成乙醇后，材料再次变白，重新转换为辐射制冷模式。通过乙醇和苯乙醇的交替浸渍，热管理木材可以在辐射制冷和太阳加热模式之间切换。
本实施方式步骤一主要作用是热管理木材的制备，采用醋酸缓冲溶液处理效果更好，对木材强度损害小。步骤二的主要作用为预浸渍，增强材料的浸润效果。步骤三考虑到苯乙醇与木材纤维素折射率相似，苯乙醇浸渍之后透明度明显增强，且其高雾度也使得作为屋顶材料时，阳光均匀进入屋内并保护内部隐私。
具体实施方式二：本实施方式和具体实施方式一不同的是步骤一所述的木材为杨木、落叶松、樟子松、水曲柳、橡胶木等木材或竹材。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式和具体实施方式一或二不同的是步骤一所述的水浴条件为在90℃的温度下水浴3～12小时。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式和具体实施方式一至三之一不同的是步骤一所述的干燥方式为乙醇，50％乙醇/丙酮溶液和丙酮交替3次(每次30分钟)浸渍，最后空气干燥。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式和具体实施方式一至四之一不同的是步骤三所述的苯乙醇为浸渍浓度50％～100％的苯乙醇/乙醇溶液。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
实施例一：本实施例可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法按下列步骤实施：
一、热管理木材的制备——将制备醋酸缓冲溶液(pH 4.6)的1.5wt％的NaClO2作为木质素去除溶液，将干燥的木块在10kPa的压力下完全浸入木质素去除溶液中10小时；在80℃下水浴9小时，然后每3小时更换一次溶液。然后将处理过的木材在水中浸泡24小时，然后冷冻干燥。制备出热管理木材的辐射制冷模式；
二、预浸渍处理——将热管理木材放入乙醇中浸泡5分钟，进行预浸渍处理，增强材料的浸润效果。
三、热管理木材的模式切换——将苯乙醇溶液浸满上述材料后，材料变得透明，允许太阳通过，从而获得热管理木材的太阳加热模式。将苯乙醇换成乙醇后，材料再次变白，重新转换为辐射制冷模式。通过乙醇和苯乙醇的交替浸渍，热管理木材可以在辐射制冷和太阳加热模式之间切换。
本实施中图3为热管理木材表面的SEM图，对比图2可以看出木材细胞壁和胞间层均被破坏，不仅增加了阳光的散射且比表面积增大，提高了浸润性。由图4、5说明了材料的柔性好(曲率半径为4mm)的同时有不错的强度(图6)。该材料在辐射制冷状态下，在250～2500nm的光谱范围内反射率为95.9％，同时，在红外光谱范围内(2.5～25μm)的红外辐射率为0.93。图7中说明材料有着优异的冷却效果，冷却功率为81.4W/m2。在加热状态下，该材料拥有高透明度，透光率为81.3％。图8为材料的收集太阳光辐射加热能力，在哈尔滨冬至日的加热功率为229.5W/m2，这都说明材料有着优异的冷却和加热效果。图9和图10分别为热管理木材在夏季和冬季室外，热管理木材、木材素材和周围空气的温度图，图9中制冷状态热管理木材全天温度低于周围空气温度，白天平均降温达到4.5度，同时晚上可以降温达到5.3度，有着优异的制冷效果。图10中，加热状态热管理木材因为透过光，可以升温5.6度，加热性能优异。我们制作了房屋模型，在图11和图12中展现，通过红外热成像图可以看出，在室外2小时后，本发明的两种状态均有这优异的表现。本发明采用浸渍溶剂的方法转换，简单易操作。且本发明所用材料可生物降解，对环境友好。

Claims (4)

1.一种可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法，其特征在于按如下步骤：
一、热管理木材的制备——制备醋酸缓冲溶液的0.5wt％～3wt％的NaClO2作为木质素去除溶液，将干燥的木块在10kPa的压力下完全浸入木质素去除溶液中5～24小时；在80℃下水浴5～24小时，期间每2～5小时更换一次溶液；然后将处理过的木材在水中浸泡24～48小时，最后冷冻干燥，制备出热管理木材的辐射制冷模式；
二、预浸渍处理——将热管理木材放入无水乙醇中浸泡5～20分钟，进行预浸渍处理；
三、热管理木材的模式切换——将苯乙醇溶液浸满经步骤二处理的材料后，材料变得透明，允许太阳光通过，从而获得热管理木材的太阳光加热模式；将苯乙醇换成乙醇后，材料再次变白，重新转换为辐射制冷模式；通过乙醇和苯乙醇的交替浸渍，热管理木材在辐射制冷和太阳加热模式之间切换；
其中步骤三所述的苯乙醇为浸渍浓度50％～100％的苯乙醇/乙醇溶液。
2.根据权利要求1所述的一种可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法，其特征在于步骤一所述的木材为杨木、落叶松、樟子松、水曲柳、橡胶木。
3.根据权利要求1所述的一种可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法，其特征在于步骤一所述的水浴条件为在90℃的温度下水浴3～12小时。
4.根据权利要求1所述的一种可切换的无能耗制冷、制热热管理木材的制备方法，其特征在于步骤一所述的干燥方式为乙醇，50％乙醇/丙酮溶液和丙酮交替3次浸渍，最后空气干燥。
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