一种光热储能复合材料的制备方法及其应用

本发明涉及一种复合材料及其制备方法和应用，具体涉及一种具有光热转换和储放热性能的高分子基复合材料及其制备方法和在热管理方面的应用。

背景技术：

1、《2022年世界能源展望》报告中提出，化石燃料在全球的能源结构中占比将会从目前的80%下降至2030 年的75%，到2050 年降至60%。煤炭需求将在未来几年内达到峰值；天然气需求在2021 年至2030年将增加约5%，随后将趋于稳定；石油需求将在21 世纪30 年代中期达到峰值，之后会略有下降。因此，找出一种可再生的清洁能源对目前严峻的能源形势很有帮助，而太阳能在众多可再生能源中脱颖而出。太阳能具有清洁安全、数量巨大等优点，但太阳能具有效率低、不稳定性、分散性等缺点，限制了太阳能的进一步利用和发展。目前利用太阳能的方式主要有三种，一是光电转换，是通过光伏效应把太阳辐射能直接转换成电能；二是光化转换，是吸收光辐射而产生化学反应把光能转换成化学能；三是光热转换，是指通过反射、吸收或其他方式把太阳辐射能集中起来，转换成热能。在这些转换方式中，光热转换的效率是最高的。

2、由相变材料制成的潜热储能系统，具有化学稳定性好，温差变化小，潜热高以及储热密度高等特点，在太阳能的利用、转换和储存的领域被认为是一种潜力巨大的能量储存材料。利用相变储能技术，可以实现保护环境和提高能源利用率的重要目标。但是相变材料对可见光的波长吸收较弱，太阳光的辐射中有大约44%的可见光并不能被相变材料所吸收，且相变材料的热导率普遍偏低，所以相变材料并不能直接用作储存太阳能的储能材料。通过将光热转换材料与相变材料进行复合，可以同时实现高效光热转换与相变储能。

3、虽然现有技术能够实现光热材料与相变材料的复合，但是有机固-液相变材料易泄露，易相分离的缺点，阻碍了其大规模应用。通用特定的加工工艺在基体材料中加入相变储能材料，可以得到定型相变储能材料，防止相变材料发生泄露。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高分子基光热储能复合材料及其制备方法，以克服现有技术存在的技术缺陷。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高分子基光热储能复合材料的制备方法，以高分子聚乙烯醇为基底材料，碳化锆为光热转换材料，聚乙二醇为相变材料，利用冷冻干燥、真空浸渍等方法制备碳化锆/聚乙二醇/聚乙烯醇复合材料：

3、具体包括以下步骤：

4、a、配置聚乙烯醇溶液

5、首先，称量适量 pva粉末，倒入三口烧瓶中，然后加入去离子水，放入恒温水浴锅中，冷凝回流，加热搅拌，30-50 ℃加热1-2 h。然后升温至85-100 ℃，加热搅拌10-12 h。将配置好的pva溶液（浓度5-20%）转移至烧杯中，用保鲜膜封口，备用。

6、b、改性碳化锆颗粒

7、首先，量取适量的表面改性剂，将表面改性剂与去离子水按体积比1:1比例混合。把混合后的溶液溶解在90 wt%的乙醇中，磁力搅拌至溶液均一，制得改性剂分散液。

8、称取zrc加入到质量分数为50 wt%的乙醇溶液中（质量比zrc:乙醇=1:10），用乙酸调节ph值到4-5，搅拌30-60 min，然后超声分散30-60 min，制得zrc分散液。

9、将配置的改性剂分散液与zrc分散液混合，升温到80-100 ℃，反应2-4 h，得到改性zrc颗粒。用去离子水、乙醇清洗zrc颗粒，离心分离，将zrc颗粒放入真空干燥箱中，70-80℃干燥4-6 h，得到改性zrc颗粒。

10、c、碳化锆/聚乙二醇/聚乙烯醇复合材料的制备

11、取适量改性zrc颗粒，加入去离子水，超声分散45-60 min，得到zrc颗粒水分散液（浓度1%-5%）。取适量pva溶液，调整pva溶液与改性zrc颗粒分散液的体积比，使改性zrc颗粒的质量分数为0-20%（含量为0是对照组）。

12、改性zrc颗粒的分散液与pva溶液混合后，超声分散均匀，转移到容器中，-40 ℃冷冻30-48 h。冷冻后的样品转移至冷冻干燥机中，冷冻干燥60-72 h，制得碳化锆/聚乙烯醇复合多孔材料。

13、称取过量的相变材料聚乙二醇，放入烧杯中，加热至熔融状态，将碳化锆/聚乙二醇复合多孔材料放入聚乙二醇的熔融液中，放入真空干燥箱中，设置温度高于相变材料的相变温度，保持烘箱真空状态，真空浸渍30-60 min，制得碳化锆/聚乙二醇/聚乙烯醇复合相变材料；

14、所述聚乙烯醇分子量12万-30万，醇解度78%-100%，配置的pva溶液浓度5%-20%。

15、所述表面改性剂包括偶联剂、表面活性剂、有机高分子处理剂中的任意一种或两组以上的组合。

16、所述碳化锆/聚乙烯醇复合溶液中zrc质量分数为0-20%。peg分子量为200-20000。

17、本发明还提供了一种基于高分子基光热储能复合材料在热管理方面的应用：将本发明制备的复合材料使用光功率可调的模拟太阳光进行照射，对碳化锆/聚乙二醇/聚乙烯醇进行光热转换测试，测试不同含量的zrc对材料光热转换性能的影响。将含不同zrc含量的碳化锆/聚乙二醇/聚乙烯醇复合相变材料放在加热台上进行加热测试材料的抗泄露性能。

18、本发明取得的有益效果是：

19、1、将光热转换材料碳化锆与相变材料聚乙二醇复合，在进行光热转换的同时，实现对热能的存储与释放，提高能源利用率。

20、2、基于聚乙烯醇的三维网络结构，将光热转换材料和相变材料限制在聚乙烯醇高分子网络中，改善聚乙二醇的固-液相变过程，实现固-固定型相变，使复合材料在热处理过程中不发生泄露。

技术特征：

1.一种太阳能光热储能复合材料及其制备方法和在光热转换方面的应用，其特征在于：用于太阳能光热储能；

2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇（pva），其特征在于：化学式[c2h4o]n，超高聚合度（分子量25万-30万），高聚合度（分子量17万-22万），中聚合物（分子量12万-15万），醇解度78%-100%。

3.根据权利要求1所述碳化锆光热转换材料，其特征在于：分子式zrc，纳米-微米大小，用硅烷偶联剂等表面改性剂进行表面改性。

4. 根据权利要求1所述聚乙二醇（peg）相变材料，其特征在于：分子式ho(ch2ch2o)nh，分子量200-20 000。

5.据权利要求1所述的光热转换薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤a中所用聚乙烯醇分子量12-30万，醇解度78%-100%，配置的pva溶液浓度5%-20%。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤b中所述表面改性剂包括偶联剂、表面活性剂、有机高分子处理剂中的任意一种或两组以上的组合。

8. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤c中所述碳化锆/聚乙烯醇复合溶液中zrc质量分数为0-20%。peg分子量为200-20 000。

9.根据权利要求1至3任意一项所述的一种光热储能复合材料在热量管理中的应用，其特征在于：是将所述碳化锆/聚乙二醇/聚乙烯醇复合相变材料在自然太阳光、模拟太阳光、红外光、激光等不同波长、功率的光源下照射，利用其中的光热转换材料zrc，将光能转换为热能，并利用相变材料peg将热能进行储存和释放，用于热量管理。

技术总结
本发明提供一种高分子基光热储能复合材料及其制备方法和在太阳能光热中的应用，其是用于太阳能光热储能；其中高分子基光热储能复合材料为碳化锆/聚乙二醇/聚乙烯醇光热储能复合材料，是以高分子聚乙烯醇为基底，通过冷冻干燥、真空浸渍等方法将改性的碳化锆光热转换颗粒与聚乙二醇相变材料复合制备而成。本发明的光热储能复合材料具有定型相变特性，可以实现光吸收，并进行光热转换，利用相变材料将热能进行储存和释放，有利于实现能源的高效利用。本发明所使用的聚乙烯醇基底来源广泛，光热转换纳米颗粒、相变材料成本适中，易于推广，在光热转换、太阳能光热储能等方面具有广阔的应用前景。

技术研发人员：余佳慧,尚蒙娅,李俊壮,黄鹏东,贾晓飞,李欣雨,杨金磊,高慧星,彭进
受保护的技术使用者：河南工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/9