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一种柔性复合相变膜及其制备方法与应用

  • 国知局
  • 2024-07-11 14:53:25

本发明涉及复合相变材料,具体涉及一种柔性复合相变膜及其制备方法与应用。

背景技术:

1、随着现代社会的飞速发展以及人民生活水平的日益提升,柔性电子器件的需求与日俱增,随着柔性电子器件的小型化、高功率化、集成化趋势,柔性电子器件的热管理问题日益受到重视。另一方面,热舒适是生活中最基本的需求之一。在人类漫长的历史中,服装一直在为人类保持恒温方面发挥着至关重要的作用,而热舒适性能是满足日常生活和劳动生产率要求的首要目标。因此,近几十年来研究人员一直致力于开发具有柔性的热管理纺织品。功能化的柔性相变薄膜因其高潜热储存密度和可逆的热调节能力,在柔性电子器件的热控管理、智能调温纺织品等领域展现出巨大的应用前景。

2、然而有机相变材料是一种典型的固-液相变材料,形状稳定性差,在相变过程中会产生液体,容易产生泄漏等问题;另一方面,有机相变材料本身导热和导电性能较差,导致其热能存储与释放效率较低,同时缺乏光吸收能力与差的导电性能也极大地限制了其在光-热、电-热转换与存储领域的功能化应用;以及现有技术负载相变材料的支撑材料存在缺乏柔性的问题。中国专利cn 114921229a将合成好的mof加入到聚丙烯腈纳米纤维中,经退火得到mof衍生碳/碳纤维载体,负载相变材料后获得复合相变材料,但是该方法中的mof被包覆在纳米纤维内部,其孔隙难以暴露进而抑制了相变材料的浸入,另一方面,单一组分的聚合物纳米纤维退火之后难以在纤维内部形成连通的多孔通道,造成纳米纤维的孔隙率较低,不利于相变材料的大量负载,这将导致复合相变材料的储能性能不佳。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题,本发明的首要目的是提供一种柔性复合相变膜的制备方法,制备得到高性能光/电-热转换及储热功能一体化的柔性复合相变膜。

2、本发明的进一步目的是提供一种由上述方法制备得到的柔性复合相变膜。

3、本发明的第三个目的是提供一种上述柔性复合相变膜在制备柔性电子器件上的应用。

4、本发明的上述目的是通过以下技术方案予以实现的:

5、本发明第一方面提供了一种柔性复合相变膜的制备方法,包括以下步骤:

6、s1.将聚丙烯腈(pan)和聚苯乙烯(ps)溶于有机溶剂中得到静电纺丝溶液,采用所述静电纺丝溶液进行静电纺丝,得到纳米纤维膜;

7、s2.将s1得到的纳米纤维膜浸渍于含有可溶性金属盐与有机羧酸配体的水或甲醇溶液中,干燥后得到负载金属有机框架(mof)材料的纳米纤维膜;

8、s3.对s2得到的负载mof材料的纳米纤维膜进行退火处理得到碳纳米纤维膜;

9、s4.将s3得到的碳纳米纤维膜真空浸渍于相变材料中,干燥后得到柔性复合相变膜。

10、本发明通过静电纺丝双组分聚合物纳米纤维膜,并在纳米纤维表面原位生长mof材料构筑负载mof材料的纳米纤维膜,负载mof材料的纳米纤维膜为柔性纳米纤维薄膜前驱体,经高温热退火处理得到分级多孔结构的碳纳米纤维膜,利用熔融浸渍法负载相变材料获得具有光/电-热转换及储热功能的柔性复合相变膜。

11、在高温热退火过程中,由于聚丙烯腈和聚苯乙烯的热分解过程的差异,大量的聚苯乙烯分解后将在纳米纤维中留下大量的孔道,同时生长于纳米纤维表面的mof退火之后也会暴露更多的孔洞,从而获得具有大比表面积、高的孔隙率和分级多孔结构的碳纳米纤维膜,一方面,具有高比表面积、高孔隙率和分级多孔结构的碳纳米纤维薄膜可以通过表面张力、毛细作用力等将相变芯材有效地封装于孔道中,进而实现复合相变材料的高芯材负载量与高相变焓值,解决相变材料的泄露问题的同时实现相变材料的高效负载,并有效提升复合相变材料的稳定性;另一方面,柔性碳纳米纤维骨架可以有效地捕获和吸收宽带阳光,增强复合相变膜对光源的捕获,进而提升光-热转换效率与存储性能,因此柔性碳纳米纤维骨架的优异光吸收与导电性能赋予了体系良好的吸光能力、热导率和导电性能,极大地提升了柔性复合相变薄膜的光/电-热转换性能与存储性能。与此同时,网络状的碳纳米纤维为体系提供连续的电子传输通道和传热通道,可实现相变材料在低激发电压下由电能向热能的快速转换,最终获得高性能光/电-热转换及储热功能一体化的柔性复合相变膜。

12、本发明构筑的具有分级多孔结构的碳纳米纤维膜,具有高的孔隙率和比表面积,有效解决了相变材料易泄露和形状稳定性差的问题,同时碳纳米纤维膜优异的光吸收能力和导电/热性能,以及其网络状的导电结构有效增强了柔性复合相变膜的光/电-热转换能,更关键的是,柔性碳纳米纤维骨架赋予了复合相变材料优异的柔性,其在柔性电子器件的热控管理、智能调温纺织品、智能穿戴等领域具有广阔的应用前景。

13、进一步地,步骤s1中,所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n,n-二甲基乙酰胺、丙酮和氯仿中的一种或几种;步骤s2中,所述溶剂为水和/或甲醇。

14、进一步地,步骤s1中,所述聚丙烯腈(pan)和聚苯乙烯(ps)的质量比为(1~5):1。

15、进一步地,步骤s1中,所述静电纺丝溶液中聚丙烯腈和聚苯乙烯的浓度为8~25wt%。

16、进一步地,步骤s1中,所述静电纺丝的条件为纺丝电压为15~30kv,进液速率为0.5~1.5ml/h,针头距离接受器距离为10~20cm。

17、进一步地,步骤s2中,所述可溶性金属盐为醋酸锌、硝酸锌、硫酸锌、氯化锌、醋酸钴、硝酸钴、氯化钴、硫酸钴、醋酸铜、硫酸铜、醋酸锰和硫酸锡中的一种或几种。

18、进一步地,步骤s2中,所述有机羧酸配体为2-甲基咪唑、对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸和均苯三甲酸中的一种或几种。

19、进一步地,步骤s2中,所述可溶性金属盐与有机羧酸配体的摩尔比为1:(1~4)。

20、进一步地,所述可溶性金属盐与有机羧酸配体的反应时间为1~12h,反应完成后采用溶剂超声洗涤去除多余杂质。

21、进一步地,步骤s3中,所述退火的条件为在600~1200℃下,在惰性气氛中退火1~5h。

22、进一步地,步骤s3中,所述相变材料为熔融态,所述相变材料为聚乙二醇、棕榈酸、辛酸、癸酸、硬脂酸、月桂酸、十二烷、十三烷、十四烷、十五烷和石蜡中的一种或几种。

23、本发明第二方面提供了第一方面所述的方法制备得到的柔性复合相变膜。

24、本发明提供的柔性复合相变膜具有高性能光/电-热转换及储热功能,具有良好的柔性且可反复弯折长久使用,长时间使用无泄漏,无毒害作用。

25、本发明第三方面提供了第二方面所述的柔性复合相变膜在柔性电子器件的热控管理以及智能可穿戴热管理上的应用。

26、本发明提供的制备方法简单,适合规模化生产,制备得到的柔性复合相变膜光/电-热转换与存储性能好、结构稳定性好、相变芯材选择多样化,在柔性电子器件的热控管理以及智能可穿戴热管理等领域具有广阔的应用前景。

27、在应用于柔性电子器件的热控管理时,柔性复合相变膜可以通过相变材料在发生相转变时吸收大量的热量并保持周围环境温度恒定的特点将电子器件的温度维持在合适的温度范围内,从而防止热量聚集导致的器件失效甚至热失控导致的安全问题的发生;当应用于智能可穿戴热管理(如智能调温纺织品)等领域时,相变材料能够在一定温度范围内,自动感知外界环境温度的变化,并从环境中可逆地吸收或释放热量,双向调节织物的温度,从而在一定时间内维持人体表面皮肤适宜的温度,使人体处于一种舒适的状态,并且有效增强人体对温度变化的适应能力。

28、本发明的有益效果:

29、1.本发明提供的制备方法简单,适合规模化生产,构筑的具有分级多孔结构的碳纳米纤维膜,具有高的孔隙率和比表面积,有效解决了相变材料易泄露和形状稳定性差的问题,同时碳纳米纤维膜优异的光吸收能力和导电/热性能,以及其网络状的导电结构有效增强了柔性复合相变膜的光/电-热转换能,更关键的是,柔性碳纳米纤维骨架赋予了复合相变材料优异的柔性,可反复弯折长久使用,长时间使用无泄漏,无毒害作用。

30、2.本发明制备得到的柔性复合相变膜光/电-热转换与存储性能好、结构稳定性好、相变芯材选择多样化,在柔性电子器件的热控管理、智能调温纺织品、智能穿戴等领域具有广阔的应用前景。

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