CN115028882A - 一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法及应用 - Google Patents

一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法及应用，制备方法包括：对纤维素纳米晶体溶液进行超声分散处理，得到悬浊液；将悬浊液与甲基三甲氧基硅烷混合并剧烈搅拌，得到混合溶液；向混合溶液中加入催化剂，充分反应后得到相应的均质二元溶液；将均质二元溶液倒入置于双层冷源板上的模具中，进行单向冷冻；对冷冻后的物质进行干燥，得到纤维素纳米晶体气凝胶。本发明的制备方法简单方便，应用的冷却器具有高效可持续性和可灵活调节的微/纳米结构，以及理想的光学特性和自清洁能力。

Description

一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法及应用
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法及应用。
背景技术
冷却行为在人类活动中占据着至关重要的地位，比如食品保存、空调降温、冷冻保鲜、建筑节能等。然而，基于压缩机的冷却系统被广泛使用消耗了大量电力，产生过多的二氧化碳，并且产生净加热效应，相比之下，具有净制冷能力的被动式日间辐射冷却（PDRC）则具有节能环保的优点，因此，近年来被动式日间辐射冷却（PDRC）受到了越来越多的关注。理想化的被动式日间辐射冷却（PDRC）装置通常在太阳光谱（波长λ=0.3–2.5μm）和大气的长波红外透射窗口（波长λ=8–13μm）具有高反射率；基于此，即使在白天，通过热辐射到宇宙的能量也超过了太阳辐射的能量，从而实现无电和自发的低温冷却。
在过去十年里，研究人员已经提出了各种策略来制备高性能的被动式日间辐射冷却（PDRC）材料，包括柔性多层光子结构，无机粒子/聚合物复合材料薄膜，白色涂料等。但是多数现有的被动式日间辐射冷却（PDRC）材料都是由不环保的原材料（比如塑料、重金属等）生产的，会对环境产生负面影响，并且其中一些技术也是以复杂的工程和制造工艺为代价实现的，这使得它们难以大规模生产。
而纤维素纳米晶体因其环保和丰富的特性在辐射冷却材料表现出巨大的应用潜力，但由于纤维素结构在可见光中是透明的，整体反射率并不理想。现有的基于纤维素的辐射冷却材料仍然存在以下缺点：（1）阳光直射下反射率不够（几乎<95％）；（2）高导热性导致外部大气与内部空间之间一直潜在热传递；（3）当材料表面被灰尘污染时，纤维素基冷却器的冷却效果会大幅度降低。同时，这些被动式日间辐射冷却（PDRC）材料仍然面临着巨大的挑战，包括环境污染、效率低下、工艺复杂等，这些不利因素都限制了其实际应用的价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法及应用，该制备方法简单方便，能够提高纤维素在可见光区域的反射率。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
对纤维素纳米晶体溶液进行超声分散处理，得到悬浊液；
将悬浊液与甲基三甲氧基硅烷混合并剧烈搅拌，得到混合溶液；
向混合溶液中加入催化剂，充分反应后得到相应的均质二元溶液；
将均质二元溶液倒入置于双层冷源板上的模具中，进行单向冷冻；
对冷冻后的物质进行干燥，得到纤维素纳米晶体气凝胶。
可选的，纤维素纳米晶体溶液的质量浓度为5mg/ml。
可选的，纤维素纳米晶体溶液和甲基三甲氧基硅烷的体积比为200:3。
可选的，催化剂包括氨水。
可选的，氨水与纤维素纳米晶体的质量比为1:50。
可选的，所用双层冷源板为覆有铜网的铜板；铜网规格包括100目、150目和200目。
可选的，悬浊液超声分散30min。
可选的，悬浊液与甲基三甲氧基硅烷混合搅拌1h。
可选的，加入氨水催化后，充分反应3h。
一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法制得的纤维素纳米晶体气凝胶在冷却器的应用。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法及应用，通过该制备方法制得的可调微/纳米结构的新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶，应用于冷却器，由于可控的微/纳米结构（增强内部反射和米氏散射），使得气凝胶冷却器具有极高的太阳光反射率和较低的表面能，表现出超疏水性；
锚定在纤维素纳米晶体框架上的二氧化硅纳米粒子固有声子-极化共振和交联网络的分子振动模式（如C-O-C、C-C、Si-O-C、Si-O-Si），实现了较高的中红外发射率；
该气凝胶冷却器具有平均红外发射率>0.94、太阳反射率≈97.4%和优异的自清洁特性；
该气凝胶冷却器在阳光直射下（640W/m2）温度可降低10.4℃。除了优异的光热性能，气凝胶冷却器结构上分层自清洁表面可防止灰尘污染。
附图说明
图1为本发明实施例不同规格微/纳米结构气凝胶冷却器与太阳反射率的关系图；
图2为发明实施例不同规格微/纳米结构气凝胶冷却器在阳光直射下的日间辐射冷却性能对比图；
图3为发明实施例不同规格微/纳米结构气凝胶冷却器自清洁性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应该理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
出于本说明书和所附权利要求书的目的，除非另有陈述，否则所有表达量、百分数或比例的数字及本说明书和所附权利要求书中所用的其他数值被理解为在所有情况下都由术语“约”修饰。此外，本文公开的所有范围都包括端点在内且可独立组合。
实施例一：
如图1至图3所示，一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1，将40ml纤维素纳米晶体溶液倒入100ml烧杯中经过30min超声处理，得到分散良好的悬浊液；
S2，将悬浊液与0.6ml甲基三甲氧基硅烷混合并剧烈搅拌1h，得到混合溶液；
S3，将0.004g氨水逐滴加入到S2的混合溶液中，充分反应3h后，得到相应的均质二元溶液；
S4，将S3得到的均质二元溶液倒入置于双层冷源板上（覆有铜网的铜板，其中铜网规格为150目）的模具中进行单向冷冻；
S5，对冷冻后的物质进行干燥，得到纤维素纳米晶体气凝胶。
实施例二：
如图1至图3所示，一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1，将40ml纤维素纳米晶体溶液倒入100ml烧杯中经过30min超声处理，得到分散良好的悬浊液；
S2，将悬浊液与0.6ml甲基三甲氧基硅烷混合并剧烈搅拌1h，得到混合溶液；
S3，将0.004g氨水逐滴加入到S2的混合溶液中，充分反应3h后，得到相应的均质二元溶液；
S4，将S3得到的均质二元溶液倒入置于双层冷源板上（覆有铜网的铜板，其中铜网规格为100目）的模具中进行单向冷冻；
S5，对冷冻后的物质进行干燥，得到纤维素纳米晶体气凝胶。
实施例三：
如图1至图3所示，一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1，将40ml纤维素纳米晶体溶液倒入100ml烧杯中经过30min超声处理，得到分散良好的悬浊液；
S2，将悬浊液与0.6ml甲基三甲氧基硅烷混合并剧烈搅拌1h，得到混合溶液；
S3，将0.004g氨水逐滴加入到S2的混合溶液中，充分反应3h后，得到相应的均质二元溶液；
S4，将S3得到的均质二元溶液倒入置于双层冷源板上（覆有铜网的铜板，其中铜网规格为200目）的模具中进行单向冷冻；
S5，对冷冻后的物质进行干燥，得到纤维素纳米晶体气凝胶。
本发明通过适当的二维限制冷冻铸造技术制备的气凝胶应用于冷却器，展示出一种独特的笼状结构-分层互连多孔结构，并且可以通过控制铜网规格来定制气凝胶冷却器的形态以及光学特性；随着铜网目数的增加，气凝胶冷却器的太阳光反射率呈增大趋势，显示出优异的反射性能。
通过比较不同规格微/纳米结构气凝胶冷却器在阳光直射下的日间辐射冷却性能，可以清楚的观察到随着铜网目数增加，温度下降的越多。本发明气凝胶冷却器具有高太阳反射率，高红外发射率，低导热性，优异的机械稳定性和自清洁性。
不同规格微/纳米结构气凝胶冷却器表面都可以排斥三种液体，并且能够通过水流将污染物从气凝胶冷却器表面完全带走，表现出极佳的拒水和自清洁性能；气凝胶冷却器直接暴露在阳光和完全浸入水下的耐久性后，发现实用性能与实验前相比并无下降，展示出长期使用的可靠性，抗紫外辐射以及耐水性。
本发明通过合理的二维限制冷冻技术，开发了具有可设计微/纳米结构的新型纤维素纳米晶体气凝胶辐射冷却器。由于集成微/纳米尺度的工程层次结构以及显示高选择性热发射率的分子水平化学键，使得气凝胶冷却器表现出超高的太阳反射率（97.4%），高红外发射率（93%）和低表面能（0.029W/m K）；具有多级微/纳米结构的气凝胶冷却器在阳光的直接照射下（太阳强度620W/m2），实现了低于环境温度10.4℃的降温，即便在暴露6个月后也达到了约9.4℃的降温；本发明所展示的高效、可持续的气凝胶冷却器具有可调的微/纳米结构、理想的光学性能和自清洁特性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对纤维素纳米晶体溶液进行超声分散处理，得到悬浊液；
将悬浊液与甲基三甲氧基硅烷混合并剧烈搅拌，得到混合溶液；
向混合溶液中加入催化剂，充分反应后得到相应的均质二元溶液；
将均质二元溶液倒入置于双层冷源板上的模具中，进行单向冷冻；
对冷冻后的物质进行干燥，得到纤维素纳米晶体气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，其特征在于：纤维素纳米晶体溶液的质量浓度为5mg/ml。
3.根据权利要求2所述的一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，其特征在于：纤维素纳米晶体溶液和甲基三甲氧基硅烷的体积比为200:3。
4.根据权利要求1所述的一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，其特征在于：催化剂包括氨水。
5.根据权利要求4所述的一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，其特征在于：氨水与纤维素纳米晶体的质量比为1:50。
6.根据权利要求1所述的一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，其特征在于：所用双层冷源板为覆有铜网的铜板；铜网规格包括100目、150目和200目。
7.根据权利要求1所述的一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，其特征在于：悬浊液超声分散30min。
8.根据权利要求1所述的一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，其特征在于：悬浊液与甲基三甲氧基硅烷混合搅拌1h。
9.根据权利要求5所述的一种新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法，其特征在于：加入氨水催化后，充分反应3h。
10.一种根据权利要求2至9任意一项所述的新型自清洁纤维素纳米晶体气凝胶的制备方法制得的纤维素纳米晶体气凝胶在冷却器的应用。
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