[发明专利]一种柔性疏水各向异性纤维素纳米纤维气凝胶相变复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性疏水各向异性纤维素纳米纤维气凝胶相变复合材料及其制备方法，制备方法为：分别配制纤维素纳米纤维悬浮液和边缘羟基化改性的氮化硼纳米片分散液，将其混合分散均匀后，向其中加入硅烷水解，得到硅烷化改性纤维素纳米纤维/氮化硼纳米片共悬浮液，然后将其注入模具中，定向冷冻后真空冷冻干燥得到各向异性硅烷化改性纤维素纳米纤维/氮化硼纳米片气凝胶；通过减压排尽熔融有机相变材料中的气泡，然后在真空加热条件下将气凝胶于熔融有机相变材料中浸渍，取出冷却即得相变复合材料。通过本发明所述方法制备的相变复合材料在热调节、能量收集和存储、传感、环境修复和生物医学等领域有很好的前景。

技术领域

本发明涉及相变储能以及定向气凝胶技术，具体涉及一种柔性疏水各向异性纤维素纳米纤维气凝胶相变复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，以化石能源为主的世界能源结构带来的能源紧缺和环境污染问题备受瞩目，因此对传统能源的合理开发和有效利用提出了更高的要求。基于相变材料(PCMs)的热能收集技术通过等温相变过程能够从环境吸收和释放大量的潜热，在热能管理和温度调控等方面显示出巨大的潜力，目前已逐渐成为国内外能源材料研究的新热点。固-液有机相变材料具有可控的相变温度范围、优异的化学和循环稳定性、生物相容性好、无相分离和过冷等优点，但其低导热、易燃和熔融泄漏问题已成为制约其应用拓展的瓶颈。纤维素纳米纤维(CNF)气凝胶呈现纳米多孔三维互联结构，具有密度低、孔隙率高、比表面积大和毛细管力强等特性，可以将相变材料负载到气凝胶骨架结构中，保证相变复合材料的稳定性，有效防止熔融泄漏。

此外，有机相变材料较低的热导率，使得相变材料吸收的热量难以均匀扩散到气凝胶骨架中，导致局部温度过高。因此有必要在聚合物基体中添加高导热填料。二维氮化硼纳米片与石墨烯结构相似，将氮化硼纳米片添加到气凝胶相变复合材料中，不仅能提高相变材料的导热系数，还能使相变材料保持低的热膨胀率和较高的化学稳定性。特别地，氮化硼纳米片在面内方向和面外方向的热导率呈现各向异性，分别为600W/(mK)和2-30W/(mK)。利用纤维素纳米纤维和氮化硼纳米片的取向性，构造的各向异性气凝胶相变复合材料具有优异的热控管理潜能。

专利CN110746937A公开了一种氮化硼/纤维素封装的热导增强定形相变材料的制备方法，然而该复合材料仅专注于热能储存，而与实际应用紧密关联的机械性能和在水环境中的结构稳定性未提及。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有高相变焓和高热导率的同时，还能解决纤维素纳米纤维气凝胶本征的高亲水和机械性能差的柔性疏水各向异性纤维素纳米纤维气凝胶相变复合材料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种柔性疏水各向异性纤维素纳米纤维气凝胶相变复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)分别将纤维素纳米纤维(CNF)粉末和边缘羟基化改性的氮化硼纳米片(BNNS)均匀分散于去离子水中，配制0.4～1.5wt％的纤维素纳米纤维悬浮液和0.15～0.55mol/L的边缘羟基化改性的氮化硼纳米片分散液；

(2)按纤维素纳米纤维与边缘羟基化改性的氮化硼纳米片的质量比为(6-1):1将纤维素纳米纤维悬浮液和边缘羟基化改性的氮化硼纳米片分散液混合分散均匀后，按每克纤维素纳米纤维对应1～50mmol的硅烷加量，向其中加入硅烷水解，得到硅烷化改性纤维素纳米纤维/氮化硼纳米片共悬浮液；

(3)将硅烷化改性纤维素纳米纤维/氮化硼纳米片共悬浮液注入模具中，于-80～-196℃下定向冷冻0.5～1h，然后真空冷冻干燥得到各向异性硅烷化改性纤维素纳米纤维/氮化硼纳米片气凝胶；

(4)通过减压排尽熔融有机相变材料中的气泡，然后在真空加热条件下将各向异性硅烷化改性纤维素纳米纤维/氮化硼纳米片气凝胶于熔融有机相变材料中浸渍1～6h，取出冷却至室温得到柔性疏水各向异性纤维素纳米纤维气凝胶相变复合材料。