一種改性二氧化硅氣凝膠基復(fù)合相變材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合相變材料領(lǐng)域，具體涉及一種改性二氧化硅氣凝膠基復(fù)合相變材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻，如何提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境成為近幾十年來(lái)的一個(gè)重要話題。相變蓄熱/儲(chǔ)能技術(shù)可以將不連續(xù)、隨機(jī)性較強(qiáng)的能量存儲(chǔ)在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)中，并在需要時(shí)釋放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的高效利用，解決能源供求在時(shí)間和空間上不匹配的問(wèn)題。相變儲(chǔ)能材料(Phase change materials,PCMs)是近年發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)高新技術(shù)材料，利用其相變過(guò)程中產(chǎn)生吸熱和放熱效應(yīng)可進(jìn)行熱能儲(chǔ)存和溫度調(diào)控。目前，相變材料已在建筑節(jié)能、電力調(diào)峰、廢熱利用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]傳統(tǒng)的相變材料在相變時(shí)容易發(fā)生泄漏，大大限制了其應(yīng)用范圍，因此通過(guò)對(duì)相變材料進(jìn)行封裝定型制備復(fù)合相變材料是目前的研究熱點(diǎn)。通過(guò)在相變芯材外包覆有機(jī)物殼層制備微膠囊復(fù)合相變材料是一種有效手段，有機(jī)殼層無(wú)腐蝕性、熱穩(wěn)定性好，且與大多數(shù)建筑材料具有兼容性，然而其具有導(dǎo)熱系數(shù)低、體積變化大和易燃等缺點(diǎn)。通過(guò)多孔基材制備相變復(fù)合材料是另一種有效手段，即利用毛細(xì)作用力將相變芯材吸入材料孔道內(nèi)部，形成多孔復(fù)合相變材料。然而多孔相變材料的負(fù)載量和防止泄露的能力還有待進(jìn)一步提升。
[0004]二氧化硅氣凝膠是指以納米量級(jí)超微顆粒相互聚集形成的納米多孔硅氧交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，含有大于90%的空氣和小于10%的固體二氧化硅骨架。二氧化硅氣凝膠獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的性能:極低的密度、極大的比表面積和極高的孔隙率。除此之外，二氧化硅氣凝膠還具有低折射率、楊氏模量小、低聲阻抗、以及吸附能力強(qiáng)等眾多優(yōu)良的特性。由于二氧化硅氣凝膠獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以很容易的實(shí)現(xiàn)相變芯材的負(fù)載。但是傳統(tǒng)的二氧化硅氣凝膠通常需要超臨界方法來(lái)干燥，成本高昂，限制了其實(shí)際應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明提出了一種新型的納米孔二氧化硅氣凝膠制備方法，在常溫常壓下制備得到低成本疏水改性二氧化硅氣凝膠，通過(guò)極性調(diào)控可以有效的負(fù)載相應(yīng)的相變芯材，拓展相變芯材的選擇性，同時(shí)疏水改性還可以增強(qiáng)材料的實(shí)用性?；诟男远趸铓饽z材料以上特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種新型改性二氧化硅氣凝膠基復(fù)合相變材料可以有效提升現(xiàn)有相變材料的負(fù)載量，并拓展相變芯材，具有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種負(fù)載量高、防滲漏的改性二氧化硅氣凝膠基復(fù)合相變材料。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明所述一種改性二氧化硅氣凝膠基復(fù)合相變材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0008](I)將硅烷、有機(jī)醛類(lèi)、無(wú)水乙醇和鹽酸按重量比1:0.2?1:15?30:0.06?0.6混合，在室溫下攪拌10?30min混合均勻，將上述溶液密封保存，在20?80°C保溫6?36h形成濕凝膠，然后除去濕凝膠中的乙醇/水混合液，加入有機(jī)溶劑放在烘箱中20?70°C浸泡10?24h，置換濕凝膠中的水；將上述步驟重復(fù)I?4次，然后將浸泡陳化后的凝膠放置于烘箱中，以I?5°C /min的升溫速率升溫至60?120°C，常壓干燥24?120h后即得到改性納米孔二氧化硅氣凝膠；
[0009](2)將可溶性相變芯材溶解于溶劑中，在10?120°C條件下攪拌I?5h，使相變芯材完全溶解，獲得相變芯材均相溶液；
[0010](3)將上述制備的改性納米孔二氧化硅氣凝膠載體在40?200°C條件下抽真空2?10h，將基體的孔道完全打開(kāi)，得到基體材料；
[0011](4)將步驟⑶中所述基體材料分散于步驟⑵中所述相變芯材均相溶液中，在10?120°C下攪拌2?24h，然后置于干燥箱中，在40?80°C下干燥24?72h，得到改性二氧化硅氣凝膠基復(fù)合相變材料。
[0012]優(yōu)選地，所述硅烷為3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基二甲基乙氧基硅烷或3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一種或幾種。
[0013]優(yōu)選地，所述的有機(jī)醛類(lèi)為對(duì)苯二甲醛、4，4’-聯(lián)苯二甲醛或2氨基-對(duì)苯二甲醛中的一種或幾種。
[0014]優(yōu)選地，所述的酸為鹽酸、硝酸、甲酸或乙酸中的一種或幾種，濃度為0.1mol L0.5mol L 1O
[0015]優(yōu)選地，所述的用于除去濕凝膠中的乙醇/水混合液的有機(jī)溶劑為無(wú)水甲醇、無(wú)水乙醇或正己烷中的一種或幾種。
[0016]所述相變芯材包括:多元醇類(lèi)，具體包括聚乙二醇，季戊四醇、新戊二醇、三羥甲基氨基甲烷、三羥甲基丙烷、2，2- 二羥甲基-丙醇和三羥甲基乙烷；脂肪酸類(lèi)，具體包括硬脂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸癸酸、月桂酸、醋酸、十五烷酸；結(jié)晶水合鹽類(lèi)，具體包括十水碳酸鈉、十水硫酸鈉、十二水磷酸氫鈉、六水氯化鈣、三水醋酸鈉、五水硫代硫酸鈉；無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，具體包括氯化鈉，硝酸鈉，碳酸鈉，硫酸鈉，硝酸鉀，硝酸鋰，氯化鉀，氯化鋰，鉻酸鋰，碳酸鋰；石蠟類(lèi)，相變芯材的選擇為以上可溶性相變材料中的一種或幾種。
[0017]為避免引入雜質(zhì)離子，所述溶劑優(yōu)選為水或乙醇中的一種或兩種。
[0018]優(yōu)選地，步驟(4)中所述相變芯材和基體材料的質(zhì)量比為I?100:1?100。
[0019]優(yōu)選地，步驟⑵中所述相變芯材為無(wú)機(jī)鹽類(lèi)時(shí)，需將步驟⑷中所述干燥后的產(chǎn)物置于馬弗爐中，在100?500°C下煅燒I?10h，隨爐冷卻，得到改性二氧化硅氣凝膠基復(fù)合相變材料。
[0020]優(yōu)選地，步驟(2)中所述相變芯材為結(jié)晶水合鹽時(shí)，步驟(4)中需將攪拌均勻的基體材料和相變芯材混合溶液放入冰箱中在-5?5°C冷藏I?24h，然后加熱干燥，得到改性二氧化硅氣凝膠基復(fù)合相變材料。
[0021]有益效果:(1)本發(fā)明選用合適的相變芯材、溶劑，結(jié)合抽真空工藝，嚴(yán)格控制時(shí)間、溫度參數(shù)，所制備產(chǎn)物有效預(yù)防泄露、腐蝕等問(wèn)題，并提高多孔相變復(fù)合材料的負(fù)載量和使用壽命；(2)用本發(fā)明提供的方法反應(yīng)條件溫和、工藝簡(jiǎn)單、周期短，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為疏水改性后的二氧化硅氣凝膠的FT-1R圖；
[0023]圖2為改性二氧化硅基負(fù)載PEG2000復(fù)合相變材料的FT-1R圖；
[0024]圖3為改性二氧化硅基負(fù)載PEG2000復(fù)合相變材料的DSC圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
[0026]實(shí)施例1:
[0027]將3-氨丙基三甲氧基硅烷、對(duì)苯二甲醛、0.2mol L 1的鹽酸溶液和無(wú)水乙醇以1:0.33:20:0.4的摩爾比混合，在室溫下攪拌20min均勻混合，將上述溶液密封保存，在40°C保溫12h形成凝膠。然后將得到的凝膠除去多余的乙醇/水混合液，浸泡在適量的無(wú)水乙醇中，繼續(xù)在40°C保溫24h后，移除殘留的化學(xué)物質(zhì)。如此重復(fù)2次。然后在升溫速度為10C /min的程序下升溫至80°C，常壓干燥36h后得到改性納米孔二氧化硅氣凝膠。
[0028]將0.5g的PEG2000溶解在30mL無(wú)水乙醇中，在攪拌條件下使其完全溶解，于80°C下攪拌3h，獲得均一溶液。將0.125g的改性納米孔二氧化硅氣凝膠在100°C條件下抽真空4h，將基體的孔道完全打開(kāi)。然后將經(jīng)過(guò)抽真空處理的改性二氧化硅氣凝膠分散于準(zhǔn)備好的PEG2000溶液中，在80 °C下攪拌6h小時(shí)，然后放于干燥箱中，在60 °C下干燥36h，得到改性二氧化硅負(fù)載PEG復(fù)合相變材料。
[0029]圖1為疏水改性后的二氧化硅氣凝膠的FT-1R圖；圖中明顯有S1-0、CH = N-、和-013的衍射峰，可證明得到了改性納米孔二氧化硅氣凝膠；圖2為改性二氧化硅基負(fù)載PEG2000復(fù)合相變材料的FT-1R圖，圖中明顯有-CH2-和-OH的衍射峰，復(fù)合材料中成功引入了 PEG片段，證明成功合成改性二氧化硅基負(fù)載PEG2000復(fù)合相變材料；圖3為改性二氧化硅基負(fù)載PEG2000復(fù)合相變材料的DSC圖，由圖中可看出復(fù)合相變材料的熔點(diǎn)為53.85°C，潛熱值為149.34J.g \具有較好的儲(chǔ)熱性能。
[0030]實(shí)施例2:
[0031]將3-氨丙基二甲基乙氧基硅烷、4，4’ -聯(lián)苯二甲醛、0.1mol L 1的硝酸、無(wú)水甲醇以1:0.2:30:0.06的摩爾比混合，在室溫下攪拌1min均勻混合，將上述溶液密封保存，在80°C保溫6h形成凝膠。然后將得到的凝膠除去多余的乙醇/水混合液