石墨烯气凝胶智能相变纤维、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯气凝胶智能相变纤维、其制备方法及应用。所述石墨烯气凝胶智能相变纤维包括石墨烯气凝胶纤维、相变材料和疏水涂层，所述石墨烯气凝胶纤维具有由石墨烯片层搭接形成的连续的石墨烯三维多孔网络结构，所述相变材料包裹于所述石墨烯片层上并填充嵌入于所述三维多孔网络结构中，所述疏水涂层均匀包覆于所述石墨烯气凝胶纤维表面。本发明专利技术的石墨烯气凝胶智能相变纤维具有优异的电学、柔韧性和疏水性能，具有可调的相变材料负载量、热焓值及熔点，在相变储能及光热转换与存储、电热转换与存储方面有着良好的应用，且制备工艺简单、反应条件温和、可控，绿色无污染，适于大规模生产，应用前景广泛。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯气凝胶智能相变纤维、其制备方法及应用
本专利技术涉及一种新型石墨烯气凝胶智能相变纤维，尤其涉及一种石墨烯气凝胶智能相变纤维及其制备方法与应用，属于纳米多孔材料及相变储能

技术介绍
相变纤维具有智能调温功能，当外界温度发生急剧变化时，纤维中的相变材料会发生固-液或固-固相转变，缓冲温度变化对人体的影响，进而为人体营造舒适的微气候环境。随着可穿戴/便携式电子产品的发展，柔性储能器件受到人们的关注。而具有多功能、多响应的智能纤维，作为可穿戴器件的基本组成单元，具有重大需求空间。如何赋予相变纤维多重刺激响应性能，实现主动调温、储能及自清洁等功能，成为一个重大挑战。气凝胶的产生起源于上世纪三十年代，由美国加州太平洋大学化学家Sterven.S.Kistler无意中专利技术的一种物质，俗称“冷冻烟雾”，将硅胶中的水提取出来，然后用诸如二氧化碳之类的气体取代水的方法制成的。经过八十多年的发展，气凝胶材料已逐步实现商业化，在诸多领域有着重要的应用。相变储能材料的潜热储存对于周围环境、太阳能及机车或电子器件所产生废热的利用，是一种最为可行的方法。有机固-液相变材料具有宽的相变温度范围、稳定的化学性质、高潜热、价廉等优点。然而由于其低热/电导率、泄露等问题限制其应用。寻找合适的支架材料并赋予相变储能材料以高的热/电导率、良好的形状稳定性及高的相变焓，是尤为重要的。目前，金属泡沫、碳气凝胶、石墨烯气凝胶、碳纳米管海绵及碳纳米管阵列等多孔材料被用于有机相变储能材料的研究中，赋予其优异的电/热导率，并可光或电驱动进行热能转换与储存。故利用气凝胶这一材料改善相变储能材料的困境，是极为可行的并有着极大的应用前景。传统的相变储能材料，多以大型设备容器封闭或大尺寸、块体的支架材料应用于相变储能材料。其中气凝胶的引入使得相变材料展现出良好的电、光的热响应，实现热能的转换与利用。然而传统应用中这种大尺寸并不能适用于现在的柔性可穿戴设备及越来越微型化的电子电路中，故具有良好柔性、导电性的智能相变纤维将成为今后发展的一个重要方向。鉴于柔性可穿戴设备和越来越微型化的智能器件对新材料的需求，迫切需要并提出一种结构与性能新颖的智能相变材料及制备方法，来达到工艺简单、生产周期短、成本低的目的，充分发挥相变储能材料的优势，将相变材料的应用推向一个新高度，进而满足柔性可穿戴设备和越来越微型化的智能器件日益增长的需求。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种石墨烯气凝胶智能相变纤维及其制备方法，以克服现有技术中的不足。本专利技术的又一目的在于提供前述石墨烯气凝胶智能相变纤维的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种石墨烯气凝胶智能相变纤维，其包括石墨烯气凝胶纤维、相变材料和疏水涂层，所述石墨烯气凝胶纤维具有由石墨烯片层搭接形成的连续的石墨烯三维多孔网络结构，所述相变材料包裹于所述石墨烯片层上并填充嵌入于所述三维多孔网络结构中，所述疏水涂层均匀包覆于所述石墨烯气凝胶纤维表面。在一些实施例中，所述石墨烯气凝胶纤维具有由孔径在2nm以下的微孔、孔径为2～50nm的介孔和孔径为50nm～500μm的宏孔组成的石墨烯三维多孔网络结构，所述石墨烯三维多孔网络结构的孔隙率为1～99％。进一步地，所述石墨烯气凝胶智能相变纤维中石墨烯气凝胶纤维的含量为10～50wt％。进一步地，所述石墨烯气凝胶纤维的直径为10μm～1mm，长径比为10～107，比表面积为1～1200m2/g，孔容为0.1～3.5cm3/g。在一些实施例中，所述石墨烯气凝胶智能相变纤维中相变材料的含量为1～99wt％。进一步地，所述相变材料包括石蜡、多元醇、聚乙二醇、赤藓醇、烷烃、高级脂肪醇、高级脂肪酸和聚烯烃中的任意一种或两种以上的组合。在一些实施例中，所述疏水涂层的厚度在10nm～50μm之间可调，所述疏水涂层的材质包括氟碳树脂、氟碳改性树脂、有机硅树脂、有机硅改性树脂和纤维素中的任意一种或两种以上的组合。本专利技术实施例还提供了前述石墨烯气凝胶智能相变纤维的制备方法，其包括：提供石墨烯气凝胶纤维和/或石墨烯水凝胶纤维；采用熔融填充和/或溶液填充的方式，以相变材料对所述石墨烯气凝胶纤维和/或石墨烯水凝胶纤维进行填充，获得石墨烯/相变材料复合纤维；在所述石墨烯/相变材料复合纤维表面包覆疏水涂层，获得石墨烯气凝胶智能相变纤维。在一些实施例中，所述制备方法包括：通过纺丝技术制备石墨烯水凝胶纤维，之后进行干燥处理，获得石墨烯气凝胶纤维。进一步地，所述纺丝技术包括湿法纺丝、限域溶胶-凝胶反应或冷冻干纺中的任意一种。进一步地，所述干燥处理包括冷冻干燥和/或超临界流体干燥。在一些实施例中，所述制备方法包括：将石墨烯气凝胶纤维浸置于熔融态相变材料中1～12h，或者，将石墨烯气凝胶纤维和/或石墨烯水凝胶纤维浸置于相变材料溶液中5min～12h，之后于20～120℃干燥1～3h，获得石墨烯/相变材料复合纤维。进一步地，所述制备方法包括：将所述石墨烯/相变材料复合纤维浸渍于疏水涂层溶液中5s～1h，取出后干燥，反复浸渍和干燥，获得石墨烯气凝胶智能相变纤维。本专利技术实施例还提供了前述石墨烯气凝胶智能相变纤维于相变储能、智能响应、光热转换与存储、电热转换与存储或柔性可穿戴器件领域中的应用。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：1)本专利技术提供的石墨烯气凝胶智能相变纤维主要由石墨烯气凝胶纤维、相变材料和疏水涂层组成，石墨烯气凝胶纤维作为该智能相变纤维的基体材料，具有可调的直径，直径为10μm-1mm，大的长径比，长径比为10-107，提供优异的电热、光热、储能及可编织性能，且该智能相变纤维具有优异的电学、柔韧性和疏水性能，具有可调的相变材料负载量、热焓值及熔点；2)本专利技术提供的石墨烯气凝胶智能相变纤维制备工艺简单，反应条件温和、可控，低能耗，绿色无污染，适于大规模生产，应用前景广泛；3)本专利技术提供的石墨烯气凝胶智能相变纤维可用于相变储能、光热转换与存储、电热转换与存储及柔性可穿戴器件中。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一典型实施方案中一种石墨烯气凝胶智能相变纤维的结构示意图。图2a和图2b分别是本专利技术实施例1所获石墨烯气凝胶智能相变纤维的扫描电子显微镜照片。图3a和图3b分别是本专利技术实施例2所获石墨烯气凝胶智能相变纤维的扫描电子显微镜照片。图4a和图4b分别是本专利技术实施例3所获石墨烯气凝胶智能相变纤维的扫描电子显微镜照片。图5a和图5b分别是本专利技术实施例4所获石墨烯气凝胶智能相变纤维的扫描电子显微镜照片。图6a和图6b分别是本专利技术实施例5所获石墨烯气凝胶智能相变纤维的扫描电子显微镜照片。图7a和图7b分别是本专利技术实施例6所获石墨烯气凝胶智能相变纤维的扫描电子显微镜照片。图8a、图8b、图9a和图9b分别是本专利技术实施例7所获石墨烯气凝胶智能相变纤维的扫描电子显微镜照片。图10是本专利技术实施例1所获石墨烯气凝胶智能相变纤维的TG曲线图。图11是本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯气凝胶智能相变纤维，其特征在于包括石墨烯气凝胶纤维、相变材料和疏水涂层，所述石墨烯气凝胶纤维具有由石墨烯片层搭接形成的连续的石墨烯三维多孔网络结构，所述相变材料包裹于所述石墨烯片层上并填充嵌入于所述三维多孔网络结构中，所述疏水涂层均匀包覆于所述石墨烯气凝胶纤维表面。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯气凝胶智能相变纤维，其特征在于包括石墨烯气凝胶纤维、相变材料和疏水涂层，所述石墨烯气凝胶纤维具有由石墨烯片层搭接形成的连续的石墨烯三维多孔网络结构，所述相变材料包裹于所述石墨烯片层上并填充嵌入于所述三维多孔网络结构中，所述疏水涂层均匀包覆于所述石墨烯气凝胶纤维表面。2.根据权利要求1所述的石墨烯气凝胶智能相变纤维，其特征在于：所述石墨烯气凝胶智能相变纤维中石墨烯气凝胶纤维的含量为10～50wt％；优选的，所述石墨烯气凝胶纤维具有由孔径在2nm以下的微孔、孔径为2～50nm的介孔和孔径为50nm～500μm的宏孔组成的石墨烯三维多孔网络结构；优选的，所述石墨烯三维多孔网络结构的孔隙率为1～99％；优选的，所述石墨烯气凝胶纤维的直径为10μm～1mm，长径比为10～107，比表面积为1～1200m2/g，孔容为0.1～3.5cm3/g。3.根据权利要求1所述的石墨烯气凝胶智能相变纤维，其特征在于：所述石墨烯气凝胶智能相变纤维中相变材料的含量为1～99wt％，优选为25～95wt％，尤其优选为55～85wt％；优选的，所述相变材料包括石蜡、多元醇、聚乙二醇、赤藓醇、烷烃、高级脂肪醇、高级脂肪酸和聚烯烃中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述石墨烯气凝胶智能相变纤维的相变潜热为1～300J/g。4.根据权利要求1所述的石墨烯气凝胶智能相变纤维，其特征在于：所述疏水涂层为致密、连续的膜层，且均匀包覆于所述石墨烯气凝胶纤维表面；优选的，所述疏水涂层的厚度为10nm～50μm；优选的，所述疏水涂层的材质包括氟碳树脂、氟碳改性树脂、有机硅树脂、有机硅改性树脂和纤维素中的任意一种或两种以上的组合；尤其优选的，所述氟碳树脂包括Teflon系列树脂、聚偏氟乙烯系列树脂、三氟氯乙烯共聚物系列树脂和聚氯乙烯共聚物树脂中的任意一种或两种以上的组合；尤其优选的，所述有机硅树脂包括有机氯硅烷树脂、有机烷氧基硅烷树脂、有机酰氧基硅烷树脂和有机硅醇树脂中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述石墨烯气凝胶智能相变纤维与水的接触角为90～175°。5.如权利要求1-4中任一项所述的石墨烯气凝胶智能相变纤维的制备方法，其特征在于包括：提供石墨烯气凝胶纤维和/或石墨烯水凝胶纤维；采用熔融填充和/或溶液填充的方式，以相变材料对所述石墨烯气凝胶纤维和/或石墨烯水凝胶纤维进行填充，获得石墨烯/相变材料复合纤维；在所述石墨烯/相变材料复合纤维表面包覆疏水涂层，获得石墨烯气凝胶智能相变纤维。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于包括：通过纺丝技术制备石墨烯水凝胶纤维，之后进行干燥处理，获得石墨烯气凝胶纤维；优选的，所述纺丝技术包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学同，李广勇，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32