本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，具體涉及一種具有光熱轉(zhuǎn)換和儲放熱性能的高分子基復(fù)合材料及其制備方法和在熱管理方面的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、《2022年世界能源展望》報告中提出，化石燃料在全球的能源結(jié)構(gòu)中占比將會從目前的80%下降至2030?年的75%，到2050?年降至60%。煤炭需求將在未來幾年內(nèi)達到峰值；天然氣需求在2021?年至2030年將增加約5%，隨后將趨于穩(wěn)定；石油需求將在21?世紀(jì)30?年代中期達到峰值，之后會略有下降。因此，找出一種可再生的清潔能源對目前嚴(yán)峻的能源形勢很有幫助，而太陽能在眾多可再生能源中脫穎而出。太陽能具有清潔安全、數(shù)量巨大等優(yōu)點，但太陽能具有效率低、不穩(wěn)定性、分散性等缺點，限制了太陽能的進一步利用和發(fā)展。目前利用太陽能的方式主要有三種，一是光電轉(zhuǎn)換，是通過光伏效應(yīng)把太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能；二是光化轉(zhuǎn)換，是吸收光輻射而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能；三是光熱轉(zhuǎn)換，是指通過反射、吸收或其他方式把太陽輻射能集中起來，轉(zhuǎn)換成熱能。在這些轉(zhuǎn)換方式中，光熱轉(zhuǎn)換的效率是最高的。

2、由相變材料制成的潛熱儲能系統(tǒng)，具有化學(xué)穩(wěn)定性好，溫差變化小，潛熱高以及儲熱密度高等特點，在太陽能的利用、轉(zhuǎn)換和儲存的領(lǐng)域被認(rèn)為是一種潛力巨大的能量儲存材料。利用相變儲能技術(shù)，可以實現(xiàn)保護環(huán)境和提高能源利用率的重要目標(biāo)。但是相變材料對可見光的波長吸收較弱，太陽光的輻射中有大約44%的可見光并不能被相變材料所吸收，且相變材料的熱導(dǎo)率普遍偏低，所以相變材料并不能直接用作儲存太陽能的儲能材料。通過將光熱轉(zhuǎn)換材料與相變材料進行復(fù)合，可以同時實現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)換與相變儲能。

3、雖然現(xiàn)有技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)光熱材料與相變材料的復(fù)合，但是有機固-液相變材料易泄露，易相分離的缺點，阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。通用特定的加工工藝在基體材料中加入相變儲能材料，可以得到定型相變儲能材料，防止相變材料發(fā)生泄露。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種高分子基光熱儲能復(fù)合材料及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高分子基光熱儲能復(fù)合材料的制備方法，以高分子聚乙烯醇為基底材料，碳化鋯為光熱轉(zhuǎn)換材料，聚乙二醇為相變材料，利用冷凍干燥、真空浸漬等方法制備碳化鋯/聚乙二醇/聚乙烯醇復(fù)合材料：

3、具體包括以下步驟：

4、a、配置聚乙烯醇溶液

5、首先，稱量適量?pva粉末，倒入三口燒瓶中，然后加入去離子水，放入恒溫水浴鍋中，冷凝回流，加熱攪拌，30-50?℃加熱1-2?h。然后升溫至85-100?℃，加熱攪拌10-12?h。將配置好的pva溶液（濃度5-20%）轉(zhuǎn)移至燒杯中，用保鮮膜封口，備用。

6、b、改性碳化鋯顆粒

7、首先，量取適量的表面改性劑，將表面改性劑與去離子水按體積比1:1比例混合。把混合后的溶液溶解在90?wt%的乙醇中，磁力攪拌至溶液均一，制得改性劑分散液。

8、稱取zrc加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50?wt%的乙醇溶液中（質(zhì)量比zrc:乙醇=1:10），用乙酸調(diào)節(jié)ph值到4-5，攪拌30-60?min，然后超聲分散30-60?min，制得zrc分散液。

9、將配置的改性劑分散液與zrc分散液混合，升溫到80-100?℃，反應(yīng)2-4?h，得到改性zrc顆粒。用去離子水、乙醇清洗zrc顆粒，離心分離，將zrc顆粒放入真空干燥箱中，70-80℃干燥4-6?h，得到改性zrc顆粒。

10、c、碳化鋯/聚乙二醇/聚乙烯醇復(fù)合材料的制備

11、取適量改性zrc顆粒，加入去離子水，超聲分散45-60?min，得到zrc顆粒水分散液（濃度1%-5%）。取適量pva溶液，調(diào)整pva溶液與改性zrc顆粒分散液的體積比，使改性zrc顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0-20%（含量為0是對照組）。

12、改性zrc顆粒的分散液與pva溶液混合后，超聲分散均勻，轉(zhuǎn)移到容器中，-40?℃冷凍30-48?h。冷凍后的樣品轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機中，冷凍干燥60-72?h，制得碳化鋯/聚乙烯醇復(fù)合多孔材料。

13、稱取過量的相變材料聚乙二醇，放入燒杯中，加熱至熔融狀態(tài)，將碳化鋯/聚乙二醇復(fù)合多孔材料放入聚乙二醇的熔融液中，放入真空干燥箱中，設(shè)置溫度高于相變材料的相變溫度，保持烘箱真空狀態(tài)，真空浸漬30-60?min，制得碳化鋯/聚乙二醇/聚乙烯醇復(fù)合相變材料；

14、所述聚乙烯醇分子量12萬-30萬，醇解度78%-100%，配置的pva溶液濃度5%-20%。

15、所述表面改性劑包括偶聯(lián)劑、表面活性劑、有機高分子處理劑中的任意一種或兩組以上的組合。

16、所述碳化鋯/聚乙烯醇復(fù)合溶液中zrc質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0-20%。peg分子量為200-20000。

17、本發(fā)明還提供了一種基于高分子基光熱儲能復(fù)合材料在熱管理方面的應(yīng)用：將本發(fā)明制備的復(fù)合材料使用光功率可調(diào)的模擬太陽光進行照射，對碳化鋯/聚乙二醇/聚乙烯醇進行光熱轉(zhuǎn)換測試，測試不同含量的zrc對材料光熱轉(zhuǎn)換性能的影響。將含不同zrc含量的碳化鋯/聚乙二醇/聚乙烯醇復(fù)合相變材料放在加熱臺上進行加熱測試材料的抗泄露性能。

18、本發(fā)明取得的有益效果是：

19、1、將光熱轉(zhuǎn)換材料碳化鋯與相變材料聚乙二醇復(fù)合，在進行光熱轉(zhuǎn)換的同時，實現(xiàn)對熱能的存儲與釋放，提高能源利用率。

20、2、基于聚乙烯醇的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將光熱轉(zhuǎn)換材料和相變材料限制在聚乙烯醇高分子網(wǎng)絡(luò)中，改善聚乙二醇的固-液相變過程，實現(xiàn)固-固定型相變，使復(fù)合材料在熱處理過程中不發(fā)生泄露。

技術(shù)特征：

1.一種太陽能光熱儲能復(fù)合材料及其制備方法和在光熱轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用，其特征在于：用于太陽能光熱儲能；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚乙烯醇（pva），其特征在于：化學(xué)式[c2h4o]n，超高聚合度（分子量25萬-30萬），高聚合度（分子量17萬-22萬），中聚合物（分子量12萬-15萬），醇解度78%-100%。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳化鋯光熱轉(zhuǎn)換材料，其特征在于：分子式zrc，納米-微米大小，用硅烷偶聯(lián)劑等表面改性劑進行表面改性。

4.?根據(jù)權(quán)利要求1所述聚乙二醇（peg）相變材料，其特征在于：分子式ho(ch2ch2o)nh，分子量200-20?000。

5.據(jù)權(quán)利要求1所述的光熱轉(zhuǎn)換薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟a中所用聚乙烯醇分子量12-30萬，醇解度78%-100%，配置的pva溶液濃度5%-20%。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟b中所述表面改性劑包括偶聯(lián)劑、表面活性劑、有機高分子處理劑中的任意一種或兩組以上的組合。

8.?根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟c中所述碳化鋯/聚乙烯醇復(fù)合溶液中zrc質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0-20%。peg分子量為200-20?000。

9.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項所述的一種光熱儲能復(fù)合材料在熱量管理中的應(yīng)用，其特征在于：是將所述碳化鋯/聚乙二醇/聚乙烯醇復(fù)合相變材料在自然太陽光、模擬太陽光、紅外光、激光等不同波長、功率的光源下照射，利用其中的光熱轉(zhuǎn)換材料zrc，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，并利用相變材料peg將熱能進行儲存和釋放，用于熱量管理。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種高分子基光熱儲能復(fù)合材料及其制備方法和在太陽能光熱中的應(yīng)用，其是用于太陽能光熱儲能；其中高分子基光熱儲能復(fù)合材料為碳化鋯/聚乙二醇/聚乙烯醇光熱儲能復(fù)合材料，是以高分子聚乙烯醇為基底，通過冷凍干燥、真空浸漬等方法將改性的碳化鋯光熱轉(zhuǎn)換顆粒與聚乙二醇相變材料復(fù)合制備而成。本發(fā)明的光熱儲能復(fù)合材料具有定型相變特性，可以實現(xiàn)光吸收，并進行光熱轉(zhuǎn)換，利用相變材料將熱能進行儲存和釋放，有利于實現(xiàn)能源的高效利用。本發(fā)明所使用的聚乙烯醇基底來源廣泛，光熱轉(zhuǎn)換納米顆粒、相變材料成本適中，易于推廣，在光熱轉(zhuǎn)換、太陽能光熱儲能等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：余佳慧,尚蒙婭,李俊壯,黃鵬東,賈曉飛,李欣雨,楊金磊,高慧星,彭進
受保護的技術(shù)使用者：河南工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9