一种兼保温与加热双功能的能源材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种兼保温与加热双功能的能源材料及其制备方法，其单体分子杂环偶氮分子以共价键方式接枝到石墨烯表面，每20～30个碳原子接枝一个偶氮分子；首先杂环偶氮分子的制备；然后还原氧化石墨烯预处理；进行杂环偶氮/石墨烯复合材料的制备；最后进行杂环偶氮/石墨烯与石蜡进行共混。相较于杂环偶氮/石墨烯材料来说，该材料不仅能够起到加热的效果，还能将热量进行存储与保温，有利于热量的利用，减少热量的损失。最后将其夹在石英玻璃与聚酰亚胺膜的中间，使得材料能够单方向传热。

A kind of energy material with dual functions of heat preservation and heating and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种兼保温与加热双功能的能源材料及其制备方法
本专利技术属于复合功能材料领域，更加具体地说，涉及偶氮苯/石墨烯与相变材料一体的储能材料及制备方法，未来在太阳能利用和制作保温层方面具有重要的应用前景。
技术介绍
随着科技的发展，人们对能源的需求越来越多，而不可再生能源一般具有污染排放，能源易枯竭的缺点，所以寻求清洁可再生能源是解决能源问题的关键，太阳能是一种取之不竭、清洁的可再生能源，利用太阳能是开拓新能源和保护环境、节能减排的有效途径。太阳能具有不受地区限制，能量多，无污染等优点，是众多能源中最有潜力的能源，而能源的利用过程中不免造成能源的浪费，尤其是热量的损失，因此许多科研机构研究利用保温或者绝热材料来减少能源的浪费与损失。当今，全球保温隔热材料正朝着高效、节能、薄层、隔热、防水外护一体化方向发展，在发展新型保温隔热材料及符合结构保温节能技术同时，更强调有针对性使用保温绝热材料，努力提高保温效率及降低成本。我们只有在能源开发与利用过程中注意能源的利用才能从根本上解决能源短缺的问题。具有顺反异构不同构型的偶氮分子是光热研究的重要对象，偶氮分子能够在光的作用发生顺反异构变化，而两种异构体具有能量差，以石墨烯为模板偶氮分子之间空间位阻与氢键作用增强，因而能够大幅度的增加能量密度，热量能够在特定波长光的作用下可控释放；石蜡作为一种比热容高，相变温度适宜，因此可作为一种良好的保温材料。将偶氮苯类光热材料与相变材料结合可结合两种材料的优点既可以作为一种加热材料又可以具有保温的作用，在节约能源方面具有非常大的潜力。>
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种兼保温与加热双功能的能源材料及其制备方法，能够将太阳能转化成热能，同时又能够保温，将光热材料与相变材料结合制备一种新的既具有自加热又具有保温作用的复合材料。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：一种兼保温与加热双功能的能源材料，将具有储能功能的偶氮苯/石墨烯复合材料和相变材料共混得到，其中偶氮苯/石墨烯复合材料和相变材料的质量比为1：(5—10)，优选1:5～1:8。在上述技术方案中，相变材料为石蜡。在上述技术方案中，偶氮苯/石墨烯复合材料由石墨烯和以共价键方式接枝到石墨烯表面的偶氮苯组成，结构式如下。在本专利技术的技术方案中，石墨烯可采用氧化石墨烯还原得到石墨烯(即还原氧化石墨烯)，以使组成石墨烯的苯环结构出现破损结构，致密的六元环(苯环)结构出现某个碳原子的缺失，形成空位，为杂环偶氮苯的接枝提供反应位点，优选每50～70个碳原子接枝一个杂环偶氮苯分子，更加优选每20～30个碳原子接枝一个偶氮(苯)分子。本专利技术采用的杂环偶氮苯/石墨烯复合材料能够高效存储太阳能，具有高能量密度、可控热释放的特点，采用顺反异构进行能量存储和释放，如下所示：偶氮苯/石墨烯复合材料，按照下述步骤进行：在N,N二甲基甲酰胺的水溶液中加入石墨烯和杂环偶氮苯并均匀分散，在惰性保护气体气氛下进行反应，反应温度为100—150摄氏度，以使杂环偶氮苯以共价键方式接枝到石墨烯表面的反应位点，得到杂环偶氮苯/石墨烯太阳能储热材料；其中石墨烯采用硼氢化钠和碳酸钠还原氧化石墨烯为石墨烯，以使组成石墨烯的苯环结构出现破损结构，致密的六元环(苯环)结构出现碳原子的缺失，形成空位，为杂环偶氮苯的接枝提供反应位点，杂环偶氮苯的氨基与之反应以使其共价键接到石墨烯结构上，杂环偶氮苯的化学式如下：在上述技术方案中，加入20-30质量份石墨烯，每一质量份为1mg，杂环偶氮苯用量为0.2—0.6摩尔份，每一摩尔份为1mmol，优选加入氢氧化钠，杂环偶氮苯和氢氧化钠的摩尔比为1：(1—1.2)。在上述技术方案中，在N,N二甲基甲酰胺的水溶液中，N,N二甲基甲酰胺浓度为0.3-0.9mg/mL。在上述技术方案中，惰性保护气体气氛为氮气、氦气或者氩气。在上述技术方案中，反应温度为100—120摄氏度，反应时间为5—15小时，优选8—12小时。在上述技术方案中，在反应结束后，减压抽滤，丙酮洗涤3-5次，得到目的产物偶氮苯/石墨烯复合材料。在上述技术方案中，石墨烯采用硼氢化钠和碳酸钠还原氧化石墨烯为石墨烯，具体来说，将氧化石墨烯置于水中并添加碳酸钠调节pH到7-9，加入硼氢化钠水溶液对氧化石墨烯进行还原处理，硼氢化钠的浓度为10-20mg/ml(硼氢化钠质量，mg/水体积，ml)，在75-90摄氏度下放置5-10小时；通过离心过滤，蒸馏水水洗得到所需要的还原氧化石墨烯(即石墨烯)；然后把通过超声重新分散在水中。杂环偶氮苯按照如下方法进行制备：将2-氨基,5-羧基三唑、亚硝酸钠加入离子水中，加入吡啶作为催化剂，逐滴加入盐酸，冰浴反应进行偶氮化后再加入3,5二甲氧基苯胺并在惰性保护气体中反应得到杂环偶氮分子。优选将2-氨基,5-羧基三唑、亚硝酸钠，以及氢氧化钠加入去离子水中。具体来说，2-氨基,5-羧基三唑和氢氧化钠为等摩尔比，2-氨基,5-羧基三唑和亚硝酸钠的摩尔比为1：(1—1.2)，2-氨基,5-羧基三唑和3,5二甲氧基苯胺的摩尔比为1：(1—2)，2-氨基,5-羧基三唑和氯化氢的摩尔比为1：(3—6)，2-氨基,5-羧基三唑为10—30摩尔份，每一摩尔份为1mmol；冰浴反应温度为0—2摄氏度，冰浴反应时间为1—3小时；盐酸中氯化氢浓度为1mol/L。在反应中由淡黄色就形成深红或者橙红色的偶氮反应，再加入3，5—二甲氧基苯胺进行反应，同时调节pH至6—7，产生黄色沉淀，即杂环偶氮苯。将本专利技术的双功能能源材料进行使用时，选用聚酰亚胺材料为底层，具有绝热效果，本专利技术得到的复合材料为中间层，上层为能透过紫外光的石英玻璃，可通过石英玻璃对杂环偶氮/石墨烯—石墨烯复合材料进行辐照，以使其充热并封装在一起，制备可充热式，单方向导热材料，具有相变材料带来的保温和储能材料的冲放热功能。在本专利技术的技术方案中，羧基三唑分子与3,5二甲氧基苯胺反应合成杂环偶氮分子，然后与预处理过的还原氧化石墨烯复合，通过共混的方法得到的交替双层偶氮苯/石墨烯复合材料，最后将其与石蜡这种相变材料结合制备兼保温与加热双功能的复合材料，将其夹在聚酰亚胺绝热材料以及石英玻璃中间，最终得到可太阳能充热与保温单向传热的材料。附图说明图1为本专利技术制备的杂环偶氮的核磁共振谱图。图2为本专利技术制备的杂环偶氮/石墨烯复合材料的TEM照片。图3为本专利技术制备的杂环偶氮/石墨烯—石蜡复合材料的DSC曲线图(1)。图4为本专利技术制备的杂环偶氮/石墨烯—石蜡复合材料的DSC曲线图(2)。图5为本专利技术材料封装结构示意图。具体实施方式下面是对本专利技术的进一步说明，而不是限制本专利技术的范围，其中在偶氮苯制备过程中，以2-氨基,5-羧基三唑的摩尔为基准，等当量、2当量为2-氨基,5-羧基三唑摩尔的一倍和2倍。实施例11)偶氮分子的制备：将10mmo本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种兼保温与加热双功能的能源材料，其特征在于，将具有储能功能的偶氮苯/石墨烯复合材料和相变材料共混得到，其中偶氮苯/石墨烯复合材料和相变材料的质量比为1：(5—10)，偶氮苯/石墨烯复合材料由石墨烯和以共价键方式接枝到石墨烯表面的偶氮苯组成，结构式如下。/n

【技术特征摘要】
1.一种兼保温与加热双功能的能源材料，其特征在于，将具有储能功能的偶氮苯/石墨烯复合材料和相变材料共混得到，其中偶氮苯/石墨烯复合材料和相变材料的质量比为1：(5—10)，偶氮苯/石墨烯复合材料由石墨烯和以共价键方式接枝到石墨烯表面的偶氮苯组成，结构式如下。





2.根据权利要求1所述的一种兼保温与加热双功能的能源材料，其特征在于，偶氮苯/石墨烯复合材料和相变材料的质量比为1:5～1:8。


3.根据权利要求1或者2所述的一种兼保温与加热双功能的能源材料，其特征在于，相变材料为石蜡。


4.根据权利要求1或者2所述的一种兼保温与加热双功能的能源材料，其特征在于，石墨烯可采用氧化石墨烯还原得到石墨烯，以使组成石墨烯的苯环结构出现破损结构，致密的六元环(苯环)结构出现某个碳原子的缺失，形成空位，为杂环偶氮苯的接枝提供反应位点，优选每50～70个碳原子接枝一个杂环偶氮苯分子，更加优选每20～30个碳原子接枝一个偶氮(苯)分子。


5.一种兼保温与加热双功能的能源材料的制备方法，其特征在于，将具有储能功能的偶氮苯/石墨烯复合材料和相变材料共混得到，其中偶氮苯/石墨烯复合材料和相变材料的质量比为1：(5—10)，其中偶氮苯/石墨烯复合材料，按照下述步骤进行：在N,N二甲基甲酰胺的水溶液中加入石墨烯和杂环偶氮苯并均匀分散，在惰性保护气体气氛下进行反应，反应温度为100—150摄氏度，以使杂环偶氮苯以共价键方式接枝到石墨烯表面的反应位点，得到杂环偶氮苯/石墨烯太阳能储热材料；其中石墨烯采用硼氢化钠和碳酸钠还原氧化石墨烯为石墨烯，以使组成石墨烯的苯环结构出现破损结构，致密的六元环(苯环)结构出现碳原子的缺失，形成空位，为杂环偶氮苯的接枝提供反应位点，杂环偶氮苯的氨基与之反应以使其共价键接到石墨烯结构上，杂环偶氮苯的化学式如下：





6.根据权利要求5所述的一种兼保温与加热双功能的能源材料的制备方法，其特征在于，加入20-30质量份石墨烯，每一质量份为1mg，杂环偶氮苯用量为0.2—0.6摩尔份，每一摩尔份为1mmol，优选加入氢氧化钠，杂环偶氮苯和氢氧化钠的摩尔比为1：(1—1.2)；在N,N二甲基甲酰胺的水溶液中，N...

【专利技术属性】
技术研发人员：封伟，阎清海，冯奕钰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12