CN114619531A - 一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木材及制备方法 - Google Patents

一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木材及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木材及制备方法。通过钴离子与有机配体反应在木材表面构建金属有机框架，利用三价铁离子与其在木材表面生成层状双氢氧化物(LDHs)，构建微‑纳复合结构。利用三价铁离子与吡咯单体聚合，形成具备优异光热转换功能的聚吡咯光热功能层(Ppy)。将低表面能的硬脂酸钠引入微‑纳复合结构的阴离子层，利用真空浸渍法将相变储能材料浸入表面修饰后的木材内部，制备一种具备自清洁能力的光热功能型相变储能木材。所制备的储能木材可长期应用于太阳能热转化领域而免受污染物的影响，具有广泛的应用前景。

Description

一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木 材及制备方法
技术领域
本发明涉及一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木材及制备方法，属于相变储能新材料研究领域。
背景技术
随着人类社会的不断进步，对能源利用的需求正逐步提升。目前化石燃料等不可再生资源总量日益减少，对太阳能、风能、潮汐等可再生能源的利用变得尤为重要。太阳能作为来源最广泛的可再生能源之一，却存在着间歇性的问题，严重制约了太阳能的应用领域。利用相变储能材料在白天对太阳能进行储存，在夜晚或阴雨天气进行热能的释放，是一种较为可靠的解决方法。然而相变储热材料存在着形态不稳定问题，导致在日常使用过程中容易造成泄露现象。
利用木材的天然三维多孔网络结构对相变储能材料进行封装，以维持相变储能材料形态的稳定性是近几年来热门的话题。然而单纯依靠相变储能材料并不能直接对太阳能进行有效储存，需要借助光热转换材料。而在光热转换涂层日常使用过程中，会因灰尘等污染物沉积而造成光热性能下降甚至失去光热性能。若利用物理机械方法进行除尘处理，会造成涂层损坏。基于以上背景，本发明拟将光热响应以及自清洁功能植入储能木材领域中，所研发的储能木材可长久地应用于太阳能利用及建筑节能领域。本发明拟选用钴基金属有机框架为模板，利用氢键作用牢固地吸附于脱除木质素的木材表面，并利用三价铁金属盐溶液与其进行反应制备具有微-纳复合结构的层状双氢氧化物。层状双氢氧化物中的三价铁离子能够诱导吡咯单体进行聚合，在其表面构筑具有优异光热响应的聚吡咯涂层。利用阴离子互换规律，将硬脂酸钠中的阴离子长链引入层状双氢氧化物的阴离子层，赋予木材表面超疏水功能。最后将具备光热-超疏水功能层的木材与低表面能的相变储能材料进行复合，制备得到具备光热-超疏水功能层的储能木材。超疏水功能的引入，阻隔外界水分，提高木材的尺寸稳定性和生物耐久性，同时赋予储能木材自清洁能力，使储能木材在使用过程中持续保持光热转化效应，经久耐用。本发明制备方法工艺简便、易于控制、能耗低，提高了木材的使用价值与应用潜力，为太阳能资源的高效利用提供了新的思路。
发明内容
本发明旨在针对现有光热响应储能木材的弊端，提供一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木材及制备方法。该制备方法工艺简便、易于控制、能耗低，制备的储能木材具有太阳光热转化功能及疏水自清洁功能，可应用于木结构建筑及以木材为基材的建筑节能技术领域。提高了木材的使用价值与其在太阳能热能利用领域的应用潜力。
本发明所采用的技术方案为：一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木材及制备方法，其具体步骤如下：
(1)利用酸性亚氯酸钠溶液脱除木材细胞壁中的木质素，以提高其对相变储能材料的渗透性，增大负载率，亚氯酸钠溶液中亚氯酸钠质量分数为10％，用冰醋酸将其pH值调节至4.6，反应温度为80℃，反应时间为3h；
(2)将脱除木质素的木材放入0.05M的Co(NO3)2·6H2O与0.4M的2-甲基咪唑混合溶液中，在真空度为-0.1MPa的真空烘箱中循环三次抽真空与充气后，室温下搅拌3h，实现钴基金属有机骨架(Co-MOF)在轻木的原位生长，得到Wood-Co-MOF；
(3)将Wood-Co-MOF用去离子水和乙醇洗涤后置于金属盐溶液中搅拌45min，使Co-MOF原位转化为LDH；所得样品用去离子水冲洗，在木材表面形成层状双氢氧化物涂层(Wood-LDH)；
(4)将Wood-LDH与装有吡咯(Py)单体(2ml)的离心管，放入玻璃培养皿中，保持装有吡咯(Py)离心管管口开放，并保持培养皿密闭，将反应系统放入到冷藏室中，在温度为0℃条件下保持反应5天，得到Ppy负载的层状双氢氧化物涂层木材(Wood-LDH-Ppy)；
(5)在Wood-LDH-Ppy表面进行0.05mol/L硬脂酸钠溶液涂覆处理；
(6)将(5)中得到的负载硬质酸钠的Wood-LDH-Ppy放入-18℃冰箱中保持12h后，用冷冻干燥机进行干燥，冷冻干燥时间为48h；
(7)将熔融的相变储能材料与(6)中得到的冷冻干燥后的Wood-LDH-Ppy按照质量比20:1置于真空干燥箱中，采用真空浸渍法制备得到储能木材，浸渍真空度为-0.1MPa，处理时间为4h，期间每过1h进行一次充气与抽真空，制备得到一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木材。
优选地，所述步骤(3)中，金属盐溶液为Fe2(SO4)3溶液、FeCl3溶液的一种，浓度为0.016～0.08mol/L，反应温度为60℃。
优选地，所述步骤(7)中相变储热材料为石蜡、硬脂酸、月桂酸的一种。
本发明具有以下优点：
1.相较于其他超疏水涂层的储能木材，层状双氢氧化物技术可控能力强，用量少，稳定性好，受环境影响小，有利于产品的推广与利用。
2.聚吡咯具有全光谱光响应能力，有利于对太阳能最大程度的应用。
3.超疏水涂层同时为光热转换粒子提供了自清洁功能，能够使其免受污染物的影响，持续保持光热转化效能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合具体实施事例，对本发明进行详细说明：
实施例1
一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木材及制备方法，其特征在于，包括如下几个步骤：
(1)利用亚氯酸钠和冰醋酸脱除轻木细胞壁中的木质素，以提高其对相变储能材料的渗透性，增大负载率，亚氯酸钠溶液中亚氯酸钠质量分数为10％，用冰醋酸将其pH值调节至4.6，反应温度为80℃，反应时间为3h；
(2)将脱除木质素的轻木放入0.05M的Co(NO3)2·6H2O与0.4M的2-甲基咪唑混合溶液中，在真空度为-0.1MPa的真空烘箱中循环三次抽真空与充气后，室温下搅拌3h，实现钴基金属有机骨架(Co-MOF)在轻木的原位生长，得到Wood-Co-MOF；
(3)将Wood-Co-MOF用去离子水和乙醇洗涤后置于Fe2(SO4)3溶液中搅拌45min，反应温度为70℃，完成Co-MOF的原位转化；所得样品用去离子水冲洗，得到层状双氢氧化物涂层木材(Wood-LDH)；
(4)将Wood-LDH与装有吡咯(Py)单体(2ml)的离心管，放入玻璃培养皿中，保持装有吡咯(Py)离心管管口开放，并保持培养皿密闭，将反应系统放入到冷藏室中，温度维持在0℃保持反应5天，得到Ppy负载的层状双氢氧化物涂层木材(Wood-LDH-Ppy)
(5)在Wood-LDH-Ppy表面进行0.05mol/L硬脂酸钠溶液涂覆处理。
(6)将Wood-LDH-Ppy放入-18℃冰箱中保持12h后，用冷冻干燥机进行干燥，冷冻干燥时间为48h；
(7)将熔融的石蜡与冷冻干燥完后的Wood-LDH-Ppy按照质量比20:1放入真空干燥箱中，选用真空浸渍法制备得到储能木材，真空度为-0.1MPa，处理时间为4h，期间每过1h进行一次充气与抽真空，制备得到一种储能木材以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热-超疏水功能强化涂层。
对比例1
将脱除木质素的轻木放入0.05M的Co(NO3)2·6H2O与0.4M的2-甲基咪唑混合溶液中，在真空度为-0.1MPa的真空烘箱中循环三次抽真空与充气后，室温下搅拌3h，实现钴基金属有机骨架(Co-MOF)在轻木的原位生长，得到Wood-Co-MOF，其特征在于，包括如下几个步骤：
(1)利用亚氯酸钠和冰醋酸脱除轻木细胞壁中的木质素，以提高其对相变储能材料的渗透性，增大负载率，亚氯酸钠溶液中亚氯酸钠质量分数为10％，用冰醋酸将其pH值调节至4.6，反应温度为80℃，反应时间为3h；
(3)将脱除木质素的轻木放入0.05M Co(NO3)2·6H2O与0.4M 2-甲基咪唑混合溶液中，在真空度为-0.1MPa的真空烘箱中循环三次抽真空与充气后，室温下搅拌3h，实现钴基金属有机骨架(Co-MOF)的原位生长，得到Wood-Co-MOF；
(4)将Wood-Co-MOF用去离子水和乙醇洗涤后置于FeCl2溶液中搅拌45min，反应温度为70℃，完成Co-MOF的原位转化；所得样品用去离子水冲洗，得到层状双氢氧化物涂层木材(Wood-LDH)；
(5)将Wood-LDH与装有吡咯(Py)单体(2ml)的离心管，放入玻璃培养皿中，保持装有吡咯(Py)离心管管口开放，并保持培养皿密闭，将反应系统放入到冷藏室中，温度维持在0℃保持反应5天，得到Ppy负载的层状双氢氧化物涂层木材(Wood-LDH-Ppy)；
(6)在Wood-LDH-Ppy表面进行0.05mol/L硬脂酸钠溶液涂覆处理；
(7)将Wood-LDH-Ppy放入-18℃冰箱中保持12h后，用冷冻干燥机进行干燥，冷冻干燥时间为48h；
(8)将熔融的硬脂酸与冷冻干燥完后的Wood-LDH-Ppy按照质量比20:1放入真空干燥箱中，选用真空浸渍法制备得到储能木材，真空度为-0.1MPa，处理时间为4h，期间每过1h进行一次充气与抽真空，制备得到一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水层的储能木材。
对比例2
将脱除木质素的轻木放入0.05M的Co(NO3)2·6H2O与0.4M的2-甲基咪唑混合溶液中，在真空度为-0.1MPa的真空烘箱中循环三次抽真空与充气后，室温下搅拌3h，实现钴基金属有机骨架(Co-MOF)在轻木的原位生长，得到Wood-Co-MOF，其特征在于，包括如下几个步骤：
(1)利用亚氯酸钠和冰醋酸脱除轻木细胞壁中的木质素，以提高其对相变储能材料的渗透性，增大负载率，亚氯酸钠溶液中亚氯酸钠质量分数为10％，用冰醋酸将其pH值调节至4.6，反应温度为80℃，反应时间为3h；
(3)将脱木素轻木放入0.05M Co(NO3)2·6H2O与0.4M 2-甲基咪唑混合溶液中，在真空度为-0.1MPa的真空烘箱中循环三次抽真空与充气后，室温下搅拌3h，实现钴基金属有机骨架(Co-MOF)的原位生长，得到Wood-Co-MOF；
(4)将Wood-Co-MOF用去离子水和乙醇洗涤后置于FeCl3溶液中搅拌45min，反应温度为70℃，完成Co-MOF的原位转化；所得样品用去离子水冲洗，得到层状双氢氧化物涂层木材(Wood-LDH)；
(5)将Wood-LDH与装有吡咯(Py)单体(2ml)的离心管，放入玻璃培养皿中，保持装有吡咯(Py)离心管管口开放，并保持培养皿密闭，将反应系统放入到冷藏室中，温度维持在0℃保持反应5天，得到Ppy负载的层状双氢氧化物涂层木材(Wood-LDH-Ppy)
(6)在Wood-LDH-Ppy表面进行0.05mol/L硬脂酸钠溶液涂覆处理。
(7)将Wood-LDH-Ppy放入-18℃冰箱中保持12h后，用冷冻干燥机进行干燥，冷冻干燥时间为48h；
(8)将熔融的聚乙二醇1000与冷冻干燥完后的Wood-LDH-Ppy按照质量比20:1放入真空干燥箱中，选用真空浸渍法制备得到储能木材，真空度为-0.1MPa，处理时间为4h，期间每过1h进行一次充气与抽真空，制备得到一种储能木材以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热-超疏水功能强化涂层。
结果对比
Figure BDA0003586626300000061
通过实施例和对比例的研究结果表明，以低表面能的相变储热材料应用于储能木材中，才能获得150°以上的接触角，即储能木材达到超疏水级别；只有以三价的铁离子盐溶液，制备的储能木材才具有较高的光热转化终点温度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木材及制备方法，其特征包括如下几个步骤：
(1)利用酸性亚氯酸钠溶液脱除木材细胞壁中的木质素，以提高其对相变储能材料的渗透性，增大负载率，亚氯酸钠溶液中亚氯酸钠质量分数为10％，用冰醋酸将其pH值调节至4.6，反应温度为80℃，反应时间为3h；
(2)将脱除木质素的木材放入0.05M的Co(NO3)2·6H2O与0.4M的2-甲基咪唑混合溶液中，在真空度为-0.1MPa的真空烘箱中循环三次抽真空与充气后，室温下搅拌3h，实现钴基金属有机骨架(Co-MOF)在木材的原位生长，得到Wood-Co-MOF；
(3)将Wood-Co-MOF用去离子水和乙醇洗涤后置于金属盐溶液中搅拌45min，完成Co-MOF的原位转化；所得样品用去离子水冲洗，得到层状双氢氧化物涂层木材(Wood-LDH)；
(4)将Wood-LDH与装有吡咯(Py)单体(2ml)的离心管，放入玻璃培养皿中，保持装有吡咯(Py)离心管管口开放，并保持培养皿密闭，将反应系统放入到冷藏室中，在温度为0℃条件下保持反应5天，得到Ppy负载的层状双氢氧化物涂层木材(Wood-LDH-Ppy)；
(5)在Wood-LDH-Ppy表面进行0.05mol/L硬脂酸钠溶液涂覆处理；
(6)将(5)中得到的负载硬质酸钠的Wood-LDH-Ppy放入-18℃冰箱中保持12h后，用冷冻干燥机进行干燥，冷冻干燥时间为48h；
(7)将熔融的相变储能材料与(6)中得到的冷冻干燥后的Wood-LDH-Ppy按照质量比20:1置于真空干燥箱中，采用真空浸渍法制备得到储能木材，浸渍真空度为-0.1MPa，处理时间为4h，期间每过1h进行一次充气与抽真空，制备得到一种以层状双氢氧化物与聚吡咯为光热超疏水表面的储能木材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，金属盐溶液为Fe2(SO4)3溶液、FeCl3溶液的一种，浓度为0.016～0.08mol/L，反应温度为60℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中相变储热材料为石蜡、硬脂酸、月桂酸的一种。
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