一种基于静电纺丝的疏水性高导热复合相变材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于静电纺丝的疏水性高导热复合相变材料，以氮化硼BN、聚乙二醇PEG、聚偏二氟乙烯PVDF为原料，其中，氮化硼通过超声剥离获得具有羟基的改性二维氮化硼纳米片BNNS，其作用为增强材料导热的同时，提高分散性和相容性以及绝缘性；聚乙二醇作为相变材料，提供相变储能功能；聚偏二氟乙烯作为静电纺丝纤维基体，为提供疏水性。所得复合相变材料的导热系数为0.44

【技术实现步骤摘要】
一种基于静电纺丝的疏水性高导热复合相变材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及纳米纤维材料、相变储能材料和智能纺织品领域，具体涉及一种基于静电纺丝的疏水性高导热复合相变材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]化石燃料的过度开采和利用，导致严重的能源危机，可再生能源的开发和利用成为一个热门的话题，可以有效的储存热能的储能装置在可持续发展中显得至关重要，热能储存技术（TES）作为储能的重要组成部分，近年来受到广泛的关注和研究。
[0003] 热能存储技术主要包括化学储热、显热储热和潜热储热。大多数材料可以以显热的形式储存热能，储存能量的多少取决于材料的比热容、质量和温度变化。显热储能材料的主要问题是能量密度低和温度变化时能量的突然损失。热化学储热材料是一种相对新颖的材料，仅在实验室进行过测试，它们可以通过可逆的化学反应储存和释放能量，在所有类型的热储能材料中表现出最高的能量密度。然而，它们也有一些主要的缺点，例如从储存容积到储存容积的传热和传质缓慢，投资成本高，以及复杂的反应堆设计限制了它们的应用。相比之下，潜热储热材料，也称为相变材料(PCM)，在几乎恒定的温度下通过相变，每单位体积可以比显热储材料多存储5 至14倍的热量。此外，它们能在一定温度下长时间保存能源，并广泛应用于节能建筑、光伏、纺织品等。
[0004]相变材料分为无机相变材料和有机相变材料是两种典型材料，热能的存储和释放通常是经过固
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液相变来达到的。由于有机相变材料的物理化学性能上的稳定、无过冷和相分离、可重复使用等优点，近年来研究在有机相变材料居多，如石蜡、脂肪酸、多元醇。但有机相变材料也存在着明显的缺陷，像导热系数低、易泄露等缺陷限制了相变材料的应用。
[0005]针对固液相变材料泄露和低导热系数的问题，采用微纳米纤维封装技术、多孔骨架封装等技术利用高导热支撑材料对相变材料进行封装是一种有效策略，这些技术有力的促进了相变材料在相变领域的应用。
[0006]现有文献1（AFTAB W, MAHMOOD A, GUO W,et al, Polyurethane
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based flexible and conductive phase change composites for energy conversion and storage, Energy storage Materials, 2019,20401）将聚氨酯渗透到碳纳米管海绵的孔隙中，制备了一种双形态稳定、柔性和高导电性的复合相变材料，制备的相变材料性能具有良好的形状稳定性、较高的导热系数2.4 W/(m
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K)和高储能密度132 J/g。
[0007]上述方案在导热和蓄热性能方面虽然有增强，但存在着相变材料渗入时间长、负载量低的缺陷，不能广泛应用于实际生产中。
[0008]微纳米纤维封装技术可以将相变材料直接封装在纤维中，无需支撑材料即可直接使用，相变材料含量更高，温度调节能力更强，已经报道了各种制造相变纤维的方法，例如熔纺、湿纺和静纺。静电纺丝法制备的相变纤维显示出一些吸引人的优势，例如从几纳米到几微米的超细尺寸和巨大的比表面积。电纺纤维具有超细的尺寸和巨大的比表面积，可应
用于服装、电子元件等的热调节，提高热调节效率。
[0009]通过静电纺丝技术可以使基体材料和相变材料进行有效的结合，最终得到性能优异的纳米纤维复合相变材料。基体材料与导热填料相结合，可以同时解决 相变材料存在的泄漏和低导热问题。因此，运用静电纺丝技术和添加导热填料的方法被证实是一种提高相变材料封装性能和导热性的有效方法。
[0010]现有文献2（Shaokun Song, Hong Ai, Wanting Zhu, Feng Qiu, Yuqi Wang, Jian Zhou, Eco
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friendiy electrospun nanofibrous membranes with high thermal energy capacity and improved thermal transfer efficiency, Renewable Energy, 2019, 09156）通过静电纺丝 PEG/PVA/AgNO
3 的水溶液，然后直接进行紫外(UV)照射，开发了环保的 PEG/PVA/Ag 复合纤维基相变复合材料。该材料具有2000次循环稳定性，AgNPs 在这些纤维中的原位形成，其充当导热桥并促进连续导热网络的形成或有效的热流渗透通道，使其能量传递效率显著提高。
[0011]现有文献3(Rong Ji, Qingfeng Zhang, Fuxi Zhou, Fen Xu, Xiaodong Wang, Chaowei Huang, Yucao Zhu, Huanzhi Zhang, Lixian Sun, Yongpeng Xia, Xiangcheng Lin, Hongliang Peng, Yongjin Zou, Hailiang Chu, Electrospinning fabricated novel poly (ethylene glycol)/graphene oxide composite phase
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change nano
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fibers with good shape stability for thermal regulation, Journal of Energy Storage, 2021, 102687) 开发了新型聚乙二醇/氧化石墨烯复合相变纤维（PCFs）。通过静电纺丝来增强形状稳定的 PCF 的热性能。添加 0.5 wt% GO 制备的复合 PCF 的最大熔化/结晶焓为 103.6 J g
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1 和 101.1 J g
‑1。其中一种方法是利用静电纺丝工艺制备材料。静电纺丝工艺的成本低、操作简单，能够制备出具有高比表面积、高孔隙率的纳米纤维。
[0012]以上两种方案虽然在防止泄露和增强导热方面取得了很好的效果，但由于PVA遇水易溶解，在潮湿情况下会造成相变材料的泄露，在制备好的PCM不能在有潮湿环境下稳定存在，影响材料的实际使用效果，且焓值损失较高。
[0013]基于以上原因，以具有高疏水性的聚偏二氟乙烯（PVDF，Mn=534000）为纤维基体可以很好解决纤维在潮湿环境中不稳定存在的问题。
[0014]经申请人研究，解决上述问题可以通过以下技术手段实现：1、二甲基亚砜（DMSO）和丙酮（CA）混合液为溶剂，以高疏水的聚偏二氟乙烯为纤维基体，聚乙二醇为相变材料通过高压静电纺丝技术制备疏水高储热焓值的纳米纤维相变材料。
[0015]2、异丙醇的结构特性及羟基作用，在氮化硼上赋予羟基基团，并且剥离氮化硼为改性二维氮化硼纳米片。
[0016]3、通过在纳米纤维表面负载高导热的改性二维氮化硼纳米片，提高纳米纤维复合材料的导热性能。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于静电纺丝的疏水性高导热复合相变材料，其特征在于：以氮化硼BN、聚乙二醇PEG、聚偏二氟乙烯PVDF为原料，其中，所述氮化硼通过超声剥离并用异丙醇改性获得具有羟基的改性二维氮化硼纳米片BNNS，改性二维氮化硼纳米片的作用为，在增强材料导热的同时，表面存在的羟基提高了改性二维氮化硼纳米片在溶液中的分散性和相容性；此外，BNNS还具有绝缘性，在PVDF进行静电纺丝后，避免PVDF复合相变材料产生静电；所述聚乙二醇作为相变材料，提供相变储能功能；所述聚偏二氟乙烯作为静电纺丝纤维基体，为基于静电纺丝的疏水性高导热复合相变材料提供疏水性。2.根据权利要求1所述的基于静电纺丝的疏水性高导热复合相变材料，其特征在于：所得复合相变材料的导热系数为0.44
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0.8 W/（m
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K），结晶潜热值为107.98
‑
120 J/g，熔融潜热为112.20
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130 J/g，具备疏水性能和封装性能。3.根据权利要求1所述的基于静电纺丝的疏水性高导热复合相变材料，其特征在于：所述疏水性为，材料表面与水的接触角为115.98
°
。4.一种基于静电纺丝的疏水性高导热复合相变材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，改性二维氮化硼纳米片的制备，首先，将异丙醇和去离子水以一定体积比配制成溶剂A，然后，将以一定浓度，将六方氮化硼h
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BN粉末和溶剂A置于双层烧杯中，在一定条件下进行超声剥离，得到乳白色的混合溶液A，接着，将混合溶液A进行二次离心处理，即可得到改性二维氮化硼纳米片，简称BNNS；步骤2，基于静电纺丝的疏水性高导热复合相变材料的制备，首先，将二甲基亚砜DMSO和丙酮CA以一定体积比配制成溶剂B，然后，以BNNS添加量为一定比例，将BNNS、溶剂B和聚乙二醇PEG...

【专利技术属性】
技术研发人员：张焕芝，张慎道，王娜艳，孙宗旭，孙立贤，徐芬，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：