一种具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶及其制备方法，该气凝胶同时含有主动吸热结构与被动隔热结构，主动吸热结构为偶氮苯聚合物与环糊精聚合物包合结构，被动隔热结构为具有多级尺寸的气凝胶开放孔结构，基材为两种及两种以上亲水聚合物，其中，主体聚合物为多个环糊精聚合物，客体聚合物为偶氮苯基团聚合物。本发明专利技术同时含有主动吸热结构与被动隔热结构的气凝胶，具有轻质、低热导率、以及高温环境下的超隔热性能，因此在保温隔热领域，特别是高温环境下隔热应用具有巨大的潜力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料隔热领域，尤其涉及一种兼具主动吸收和被动隔热 结构的超隔热气凝胶，以及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]近年来，隔热材料得到迅速发展，温度和传热控制在许多领域都极为 重要。特别是对消防员和太空人来说，常会遭遇较为极端的高温环境，迫 切的需要高效的隔热材料。另外，高海拔地区或沙漠地区也存在特殊的强 紫外线辐射和高温环境，需要性能优越的隔热材料。
[0003]常见的隔热材料可分为两类。一类为多孔结构的被动式隔热材料，包 括纤维、泡沫、气凝胶等。其中，气凝胶由于低密度和高度多孔的特殊结 构可极大的降低热对流以及热传导效应，因而表现出优秀的隔热性而备受 关注。近年来的部分研究工作甚至制备出了热导率小于空气(热导率 0.026W/mK)气凝胶隔热材料(Ghaffari Mosanenzadeh,S.；Alshrah，M.； Saadatnia,Z.Double Dianhydride Backbone Polyimide Aerogels withEnhanced Thermal Insulation for High
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Temperature Applications. Macromolecular Materials and Engineering,2020,305,1900777； Qin,Y.；Peng,Q.；Zhu，Y.Lightweight,mechanically flexible andthermally superinsulating rGO/POlyimide nanocomposite foam with ananisotropic microstrucure.Nanoscale Advances,2019,1,4895
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4903.)。 但是，需要特别注意的是，当环境温度较高时，热量可不通过空气，直接 通过热辐射进行传播。此时，即使气凝胶材料的热导率低于空气 (0.03W/mK)，甚至接近真空，仍不能有效的阻隔热量。
[0004]第二类隔热材料一般为相变材料。相变材料是指在一定温度范围内会 发生相态转变，从而消耗热能的材料。利用相变材料这一特性，可以很好 的吸收热量，隔绝温度。但由于相变材料一般通过固态向液态的转变吸收 热量，在应用时，液态形态的出现为其储存和使用都带来诸多不便。近年 来，有少数研究将多孔材料作为一种封装容器，将相变材料存储在其中， 在隔热领域进行应用。但相变材料的漏液流失总是难以避免的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种具备主动 被动结构的复合超隔热气凝胶及其制备方法，这种气凝胶同时含有主动吸 热与被动隔热结构，主动吸热结构为偶氮苯与环糊精包合结构，被动热防 护结构为具有多级尺寸的气凝胶开放孔结构。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶，同时含有主动吸热结构 与被动隔热结构，主动吸热结构为偶氮苯与环糊精包合结构，被动热防护 结构为具有多级尺寸的气凝胶开放孔结构。
[0008]具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶的基材为两种或两种以上亲 水聚合物，其中带有多个环糊精的聚合物称为主体聚合物，带有多个偶氮 苯基团的聚合物称为客体聚合物。
[0009]主体聚合物上带有大于10个环糊精基团，客体聚合物上带有大于10 个偶氮苯基团，并且环糊精基团和偶氮苯基团的摩尔比为1:1
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1:5。
[0010]环糊精基团与偶氮苯基团之间产生了主客体包合。
[0011]具有纳米以及微米级的多级孔结构，孔隙率大于89.5％。
[0012]固含量为为5
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25mg/mL。
[0013]热导率在0.0397W/mK以下。
[0014]在高温(大于100摄氏度)下，隔热能力优于具备相同热导率的隔热 材料。
[0015]在紫外环境下，隔热能力优于具备相同热导率的隔热材料。
[0016]本专利技术还提供了具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶的制备方法， 包括以下步骤：
[0017](1).将主体聚合物交联环糊精和客体聚合物偶氮改性壳聚糖分别溶 解在水中，然后按环糊精和偶氮苯的摩尔比为1:1
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1:1.5的比例将主客体 混合物混合均匀。控制混合液中总体固含量为5
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25mg/mL，优化含量 7
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15mg/mL。将均匀的混合液在常温下自组装4
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12小时形成包合物水凝胶。
[0018](2)将包合物水凝胶放入冰箱进行预冷冻，然后将冷冻样品在真空 冷冻干燥机中进行冷冻干燥后，得到超隔热气凝胶样品。
[0019]冷冻干燥的温度为
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45
‑‑
55℃，压强为5
‑
15Pa，冷冻时间为12
‑
72小 时。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021]本专利技术不同于传统的习惯思维，提出了一种新型的隔热材料设计理念 即：在构建经典气凝胶结构的时候，使用在高温环境中会产生分子异构化 以及主客体解包合的热响应聚合物作为气凝胶的骨架基体材料。具体可发 生热异构化的是偶氮苯基团。偶氮苯是最广泛发色团之一，其会在紫外光 照射或高温作用下发生顺反异构化(Zhitomirsky,D.；Cho,E.； Grossman,J.C.Solid
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State Solar Thermal Fuels for Heat ReleaseAPPlications.Advanced Energy Materials,2016,6,1502006.)。另外， 偶氮苯还可以通过主客体相互作用被包合在环糊精的内部空腔中。受热 后，偶氮苯与环糊精的结合能力会减弱，导致解包合现象产生，而这种解 包合会产生热能的消耗。
[0022]本专利技术通过将携带有多个环糊精的主体聚合物与带有多个偶氮苯基 团的客体聚合物自组装形成主客体包合物水凝胶后，进一步冷冻干燥得到 了多孔气凝胶。首先，这种气凝胶的孔隙率在89.5％以上，密度极低 (8.09mg/cm3‑
15.55mg/cm3)，因此可有效减少固体热传导。同时尺寸仅 为纳米级别的孔结构限制了空气流动，可极大减少热对流的产生。使材料 表现出被动隔热材料的低热导率特征(热导率小于0.04W/mK)。更重要的 是：这种特殊气凝胶的骨架材料为含偶氮苯的主客体聚合物，当遭遇到外 界高温(或强烈紫外线照射时)，骨架基材内部会发生偶氮异构化与解包 合，主动耗散通过热辐射传导的热能，弥补被动隔热材料的不足，使材料 与同等热导率的多孔材料相比，展现出更优异的隔热性能。与相变隔热材 料不同的是：异构化和解包合是固体之间产生的物理状态改变，并非固
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液相转变，不会产生液体相，因此不存在封装与泄漏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶，其特征在于，同时含有主动吸热结构与被动隔热结构，主动吸热结构为偶氮苯聚合物与环糊精聚合物包合结构，被动隔热结构为具有多级尺寸的气凝胶开放孔结构，基材为两种或两种以上亲水聚合物，其中，主体聚合物为多个环糊精聚合物，客体聚合物为偶氮苯基团聚合物。2.根据权利要求1所述的具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶，其特征在于，主体聚合物为个数大于10个的环糊精聚合物，客体聚合物为个数大于10个的偶氮苯聚合物，并且环糊精和偶氮苯的摩尔比为1:1
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1:1.5。3.根据权利要求1所述的具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶，其特征在于，气凝胶开放孔结构是具有纳米以及微米级的多级孔结构，孔隙率大于89.5％。4.根据权利要求1所述的具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶，其特征在于，具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶固含量为5
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25mg/mL。5.根据权利要求1所述的具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶，其特征在于，具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶热导率在0.04W/mK以下。6.根据权利要求1所述的具备主动被动结构的复合超隔热气凝胶，其特征在于，在大于100℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晟，黄传燕，李帮经，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：