CN113774693A - 一种广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，将烷氧基偶氮苯和相变材料的混合物与苯乙烯进行混合，加入水、乳化剂和引发剂，在机械力的作用下完成乳化，后加热得到苯乙烯微球；将制备的偶氮苯相变材料微胶囊与纳米铯钨粉共混合，加入水、增稠剂和粘合剂，搅拌制成印花浆料，通过印花的方式作用到纺织品上。本发明制备得到的偶氮苯光储能材料能够吸收紫外光、可见光以及红外光，具有高的太阳能利用率，高的光稳定性以及循环性能，可将其应用于纺织品上，达到可穿戴的太阳能光热转化的目的，实现人体的温度管理。

Description

一种广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法
技术领域
本发明涉及织物的制备，特别是涉及一种储能织物的制备方法。
背景技术
能源管理是基于储能和释放来控制环境温度的，它能够有效地促进能源利用，推动了新能源和环境储热的发展。利用相变材料(PCM)，包括有机物、盐水合物或合金，可以提高潜热储存的储存能力。与无机PCMs相比，有机物通常具有成本效益的储能，具有广泛选择的结晶和熔点，符合预期的应用。当相变温度这低到35-40℃时，可实现对人体的温度管理，调节身体表面的微环境。
而相转变对温度十分敏感，PCM的潜热远离热源的环境后会发生自发热损失。对此可采用将能量势垒插入固-液相变中，由分子间相互作用的作用，因此相转变温度或潜热释放可以通过调节分子间力来调节，如范德华力和氢键。几种类型的光开关分子可实现分子间作用力的控制，如二氢唑烯/乙烯基七氟乙烯偶合、蒽二聚体和偶氮苯，其在连续吸收两种不同波长的光时发生可逆的结构变化。
偶氮苯分子通过顺式或反式异构体之间分子间力的变化从而改变物理性质，通过将偶氮苯掺杂到相变材料中，可实现对相变材料相变点的控制。同时，偶氮苯分子可作为太阳能燃料(STF)，为了获得大的能量密度，偶氮苯衍生物通过紧密堆积来增加能垒，但是，这种紧密的结构需要采用溶剂辅助偶氮苯充放能，而且这些溶剂会加剧环境污染。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于偶氮苯光储能织物的制备方法，制备得到的偶氮苯光储能织物具有高的太阳能利用率，高的光稳定性以及循环性能，并且对环境友好。
技术方案：本发明所述的一种偶氮苯光储能织物的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将烷氧基偶氮苯和相变材料的混合物与苯乙烯进行混合，加入水、乳化剂和引发剂，在机械力的作用下完成乳化，然后加热得到偶氮苯相变材料微胶囊；
(2)将制备的偶氮苯相变材料微胶囊与纳米铯钨粉共混合，加入水、增稠剂和粘合剂，搅拌制成印花浆料，通过印花的方式作用到纺织品上。
进一步地，所述步骤(1)中，相变材料为烷基醇、石蜡、脂肪酸或聚乙二醇中的任一种。
进一步地，所述步骤(1)中，烷氧基偶氮苯和相变材料的混合物中，烷氧基偶氮苯与相变材料的质量比为0.1～5:1。
进一步地，所述步骤(1)中，烷氧基偶氮苯与相变材料的混合物和苯乙烯的质量比例为1～10:1。
进一步地，所述步骤(1)中，引发剂为偶氮二异丁腈类物质或过硫酸盐类物质。
进一步地，所述步骤(1)中的加热温度为30～100℃。
进一步地，所述机械力为采用均质、超声、机械搅拌中的一种或多种。
进一步地，所述步骤(2)中，偶氮苯相变材料微胶囊与纳米铯钨粉的质量比例为20～1:1。
进一步地，所述步骤(2)中，增稠剂为天然或合成类增稠剂。
进一步地，所述步骤(2)中，粘合剂为合成树脂类或合成橡胶类。
进一步地，所述步骤(2)中，印花方式为平网印花或圆网印花。
所述步骤(2)中，偶氮苯相变材料微胶囊与纳米铯钨粉的质量比例为20～1:1；印花方式为平网印花或圆网印花。
本发明制得的偶氮苯光储能织物可通过颜色指示能量储存释放应用，具体包括以下步骤：在一定的光源下，烷氧基偶氮苯表现出光稳态，即保持一定的反式和顺式结构比例，两种结构偶氮苯的比例不同表现出不一样的颜色，通过颜色监控偶氮苯顺反异构比例的变化，从而进一步指示能量的充放能状态以及过程。同时颜色的变化是可逆循环，可重复使用。
本发明为了将偶氮苯相变材料作用到织物上，选用聚苯乙烯为壳材，采用微胶囊技术对偶氮苯相变材料进行包覆，防止在使用过程中产生泄露，聚苯乙烯壳材的透光性较好，对偶氮苯吸收光能的影响小，通过优选壳材和芯材的比例，能够在保证包覆率的基础上实现对储能量的提升。
本发明将纳米铯钨粉引入整个储能体系中，进一步促进对太阳能光谱的利用，提高太阳能量的吸收。纳米铯钨粉能够吸收可见光和近红外光，将其转化为热量，这部分热能够传递给相邻的偶氮苯相变材料微胶囊，使之产生相变，储存能量。在偶氮苯放热过程中(顺式转变为反式)，在可见光下纳米铯钨粉可以发出热量，促进偶氮苯从顺式到反式的转变，有利于加速能量的释放速度。另一方面，纳米铯钨粉是一种蓝色的粉末，将其与偶氮苯相结合产生拼色的效果。偶氮苯在不同的光照下产生不同的颜色，再与蓝色拼色时，增加了偶氮苯变色的色域，使得颜色更容易区分。
纳米铯钨粉的加入提高了太阳能光谱的利用率。偶氮苯在模拟太阳光照射下，纳米铯钨粉颗粒将光转化为热，传递给偶氮苯相变材料微胶囊使之产生相变储存能量。随后该偶氮苯相变材料微胶囊能够在紫外光照下将光能储存在微胶囊内部，偶氮苯结构从反式转变为顺式，光能转变为结构能，同时随着偶氮苯的异构，偶氮苯相变材料的相变点下降。在蓝光或太阳光下，偶氮苯相变材料微胶囊中偶氮苯分子从顺式结构转变为反式结构，偶氮苯分子中的结构能以热能的形式释放出去，同时相变点升高，偶氮苯在特定温度下将相变能释放。偶氮苯本身随着不同的光照具有光致变色性能，通过与蓝色的纳米铯钨粉复配，赋予更广的色域变化，可在绿色和黄色之间转化，进一步准确监控能量释放。
本发明中将PCM作为一种特殊的“溶剂”，可以在不牺牲环境压力的情况下加速偶氮苯的充能。但是这种溶剂的存在再应用过程中具有泄露的问题，微胶囊作为一种有效地手段可将相变组份包覆在胶囊内部，从而作用到纺织品上，实现具有储能性能的纺织品。而纳米铯钨粉作为一种光热转化材料，能够将太阳光中可见光部分和近红外部分转化为热释放出来，将其与偶氮苯相变材料微胶囊结合，可将转化成的热传递给相变材料，从而实现能量的有效储存，同时纳米铯钨粉的加入可增加对太阳能光谱的利用提高。颜色作为一种信息传输的视觉表达，颜色变化已被应用于能量释放中的特定温度监测，而在任何给定时间监测能量状态仍然具有很大的挑战性。因此，本发明基于偶氮苯光致变色性能，通过监控偶氮苯颜色的变化实现能够释放与储存的状态，从而进一步构建能够可视化监控能量的光储能纺织品。
有益效果：
(1)本发明的偶氮苯光储能改变材料在不影响光储能的前提下能够通过微胶囊技术作用到织物上，构建具有光储能性能的纺织品；
(2)通过加入纳米铯钨粉，可实现太阳能的广谱利用，偶氮苯光储能织物可吸收紫外、可见光以及近红外光；
(3)本发明实现了能量储存的可视化监控；偶氮苯光储能织物具有光致变色性能，从而指示偶氮苯储放能程度，相较于纯偶氮苯分子的变色，具有更大色域的变化，颜色变化更加明显。
附图说明
图1是本发明偶氮苯光储能微胶囊的异构能释放图；
图2是本发明偶氮苯光储能织物的微观形貌图；
图3是本发明偶氮苯光储能织物在可见光下发热图；
图4是本发明偶氮苯光储能织物的颜色变化示意图；
图5是本发明偶氮苯光储能织物颜色与能量关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
以下实施例中用到的原料和试剂均为市售。
一、基于偶氮苯相变材料微胶囊的制备
实施例1
将十四烷氧基偶氮苯和十四醇混合物(质量比为1:1的比例)和苯乙烯在质量比为1:1的比例下混合，加入10倍体积的水、乳化剂(2％wt)和偶氮苯二异丁腈(1％wt)，在超声的作用下完成乳化，在70℃反应6h形成氮苯相变材料微胶囊。
实施例2
将十八烷氧基偶氮苯和聚乙二醇600混合物(质量比为1:5的比例)和苯乙烯在质量比为1:10的比例下混合，加入10倍体积的水、乳化剂(.％wt)和过硫酸钾(1％wt)，在机械搅拌的作用下完成乳化，在40℃反应12h形成苯乙烯微球。
实施例3
将丁烷氧基偶氮苯和石蜡混合物(质量比为1:2的比例)和苯乙烯在质量比为1:3的比例下混合，加入10倍体积的水、乳化剂(2％wt)和偶氮二异丁腈(1％wt)，在均质的作用下完成乳化，在75℃反应8h形成苯乙烯微球。
实施例4
将丁烷氧基偶氮苯和十四醇混合物(质量比为1:5的比例)和苯乙烯在质量比为1:15的比例下混合，加入3倍体积的水、乳化剂(3％wt)和偶氮二异丁腈(1.5％wt)，在均质的作用下完成乳化，在75℃反应8h形成苯乙烯微球。如图1所示，其偶氮苯能量释放仅为7J g-1，在实际应用过程中对温度的提升不明显。
二、基于偶氮苯光储能织物的制备
实施例5
将实施例1制备的偶氮苯相变材料微胶囊与纳米铯钨粉以1:5的质量比进行共混，加入1倍体积的水、增稠剂(0.5％wt)以及粘合剂(0.5％wt)，进行充分搅拌制成印花浆料，再通过丝网印花的方式作用到纺织品上(如图2所示)。偶氮苯相变材料微胶囊和纳米铯钨粉均匀作用在纤维表面，两者相互接触，有助于光热转化过程中热能的传递与吸收。
实施例6
将实施例2制备的偶氮苯相变材料微胶囊与纳米铯钨粉以1:20的质量比进行共混，加入5倍体积的水、增稠剂(2.5％wt)以及粘合剂(2.5％wt)，进行充分搅拌制成印花浆料，再通过圆网印花的方式作用到纺织品上。如图3所示，在充完能的储能织物在可见光照射(AM1.5光源，100mW cm-2)下在220s内温度可以达到72℃。
三、基于偶氮苯光储能织物在颜色监控能量的应用
实施例7
本发明将实施例5制得的基于偶氮苯光储能织物在可见光光源下照射，其发热性能如图2所示，产生的热量能够是的相变材料产生相变，从而储存热量。随后在紫外光下照射，随着紫外光照的进行，织物颜色向红相移动，在蓝光照射下，颜色又可以回复到最初的状态(如图4所示)。通过颜色的变化可以指示偶氮苯顺反异构的比例，通过偶氮苯顺反异构的比例可以对应相应的能量值(如图5所示)。

Claims (10)

1.一种广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将烷氧基偶氮苯和相变材料的混合物与苯乙烯进行混合，加入水、乳化剂和引发剂，在机械力的作用下完成乳化，然后加热得到偶氮苯相变材料微胶囊；
(2)将制备的偶氮苯相变材料微胶囊与纳米铯钨粉共混合，加入水、增稠剂和粘合剂，搅拌制成印花浆料，通过印花的方式作用到纺织品上。
2.根据权利要求1所述的广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，相变材料为烷基醇、石蜡、脂肪酸或聚乙二醇中的任一种。
3.根据权利要求1所述的广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，烷氧基偶氮苯和相变材料的混合物中，烷氧基偶氮苯与相变材料的质量比为0.1～5:1。
4.根据权利要求1所述的广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，烷氧基偶氮苯与相变材料的混合物和苯乙烯的质量比例为1～10:1。
5.根据权利要求1所述的广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，引发剂为偶氮二异丁腈类物质或过硫酸盐类物质。
6.根据权利要求1所述的广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的加热温度为30～100℃。
7.根据权利要求1所述的广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，偶氮苯相变材料微胶囊与纳米铯钨粉的质量比例为20～1:1。
8.根据权利要求1所述的广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，增稠剂为天然或合成类增稠剂。
9.根据权利要求1所述的广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，粘合剂为合成树脂类或合成橡胶类。
10.根据权利要求1所述的广波段太阳能吸收偶氮苯光储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，印花方式为平网印花或圆网印花。
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