专利名称：一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于太阳能热利用技术领域，特别涉及一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料及其制备方法。
背景技术：
太阳能利用应于防寒保暖的研究，多集中在光——电——热模式，即光电转化和继而的电热转化上，其最終的光到热的转化效率只有10%左右。 而太阳能直接光热转换，理论效率最高可达90%以上，但是在防寒保暖的应用中却经常被人忽视。日本德山都和尤尼吉卡公司曾联合研制出含碳化锆(ZrC)可吸收太阳能的蓄热保暖材料Solar-α。它是一种皮芯复合纤維，芯层为含碳化锆的聚酰胺或聚酷，皮层为普通成纤高聚物，由双螺杆挤出机熔融纺丝而成。这种纤维加工成服装后，阳光照射下服内温度可较普通服装高2-8°C，保温效果有明显提高；但阴天时其保温功能有所下降，服内温度仅比普通服装高0-2°C。此夕卜，日本帝人公司利用某些醌系有机染料所具有的近红外线吸收功能，将该类染料涂覆在纤维材料表面，得到具有太阳光中近红外线吸收功能的纤维材料，据称能使服装内温度提高 6°C。不论是添加碳化锆蓄热保温纤维，还是添加有机染料的近红外纤维，虽然相比较普通纤维在保暖性能上有所增强，但仍存在以下几方面的不足。ー是对太阳光能量的吸收能力差。例如加入碳化锆太阳能的蓄热保暖材料Solar-α，理论上太阳吸收比只有50 %。ニ是纤维颜色单一。Solar-α颜色为灰色，虽然后继开发出添加不同复合陶瓷的白色纤维，但是都不能方便的控制纤维的颜色。三是纤维的透明度差或者完全不透明。目前在太阳能集热器中广泛采用选择性吸收的技木，从理论上对太阳光的吸收率可以达到95%以上，自身的红外发射比可达到10%以下。如果能将太阳能选择性吸收的原理用于以上材料中，则可以得到光热转换更有效、功能化更明显的新型蓄热保暖材料。但是目前在我国尚未发现基于太阳能选择性吸收机理的蓄热保温材料。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料及其制备方法，在太阳光下具有很好的蓄热保温效果。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为—种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，载体和添加物之质量比例在50 50至99 1之间，载体为有机聚合物，有机聚合物包括人工和天然聚合物，添加物由金属、半导体和绝缘介质的ー种或者ー种以上构成，金属为 Au、Ag、Cu、Fe、Ni、Mo、Cr、Al、W、Pt、Zr、Zn、Mg 及其合金，半导体为 Si、Ge、GaAs> AlAs、InP> GaN> InN及其化合物,绝缘介质采用无机化合物,为氮化物、氧化物、硫化物、硅化物或硼化物。所述的添加物的颗粒等效直径范围为Inm至100 μ m,形成纤维等效直径在50nm至100 μ m之间，若为中空，则中空部分占整体的比例范围为I %至50 %，若有表层，则表层厚度在Inm至50 μ m之间。一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料的制备方法，包括以下步骤第一歩，原料准备准备载体和添加物，载体和各种添加物之质量比例在50 :50至99 1之间；第二步，形成纤维将准备好的载体和添加物经由聚酯装置形成聚酯熔体后，再将熔体在螺杆作用下以不同类型的喷丝板挤出到空气中，自然冷却，经牵伸而成特定截面形状的纤维；喷丝板挤是外圆环内圆盘状喷丝孔的喷丝板以产生中空的圆管状丝，或是外圆环状喷丝孔的喷丝板以产生实心的圆管状丝，或是各种截面形状的实心或者中空的喷丝板；形成纤维等效直径在50nm至ΙΟΟμπι之间，若为中空，则中空部分占整体的比例范围为1%至 50% ；第三步，后期整理若纤维为中空，则将金属添加物添加到纤维的中空部分；未添加绝缘介质颗粒或者是半导体颗粒的纤维丝，以ー种或者ー种以上绝缘介质和半导体颗粒附着于丝线表面，形成表层，厚度在Inm至50 μ m之间，使得其具有将良好的光泽、顔色和触感。本发明可以很好的起到三个作用一是有效隔热，阻止待保温物体的传导和对流散热。ニ是蓄能加热，材料因本身的高吸收性能，吸收比最高可达95%，可以稳定高效地吸收太阳能，形成舒适清洁的热源，对待保温物体补充热量。三是保温防寒，材料本身的低发射性能，发射比最低可达10%，能够有效反射待保温物体热量的红外辐射，減少热损。三者的结合使得这种太阳能蓄热保温材料，可以通过直接高效地光热转化，吸收太阳能对待保温物体提供稳定舒适的热源。可以通过控制调节所含金属、半导体和绝缘介质颗粒的成分比例与颗粒大小，使材料获得不同的透明度；可以通过控制调节所含绝缘介质颗粒的成分以及在材料中的比例，使材料获得不同的顔色，从而使织物具有不同顔色的效果；可以通过在生产加工中控制材料截面的形状(圆形、三角形、Y形和星形等)以及添加物的添加方式(混合、包裹等)，使材料获得不同的抗压、抗磨损和抗弯曲等能力；可以通过控制材料中金属颗粒被绝缘介质或半导体颗粒所包裹的程度，基于金属相变转换吸收和放出热量，从而使材料具有一定的保温调温的能力。 这种太阳能蓄热保温材料的优势在于一是太阳能光热转化效率高，ニ是保温果好，三是具有可控的透明度获得，四是可控的颜色获得，五是可控的抗压、抗磨损和抗弯曲等能力获得。这种材料可以用来制作具有蓄热保温性能的保护罩，可应用于人体、仪器设备、植物大棚、汽车、建筑以及军事领域具有特殊要求装置等的防寒保暖。
图I为本发明实施例I的横截面示意图。图2为本发明实施例2的横截面示意图。图3为本发明实施例3的横截面示意图。图4为本发明实施例4的横截面示意图。图5为本发明实施例5的横截面示意图。
图6为本发明实施例6的横截面示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。实施例I一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，參照图1，载体为人工聚合物PTA 2，添加物由金属和半导体构成，金属为Cu颗粒3，半导体为Si颗粒I，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8 :1 1 ;以金属Cu颗粒3为芯部，人工聚合物PTA 2为主体，半导体Si颗粒I包裹于最外层为表层，形成截面为圆形的圆柱型结构，其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm。 一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料的制备エ艺，包括以下步骤第一歩，原料准备，准备载体和添加物，载体为人工聚合物PTA，添加物由金属Cu颗粒和半导体Si颗粒构成，三者质量比例为8:1:1;第二歩，形成纤维，将准备好的载体人工聚合物PTA经由聚酯装置形成聚酯熔体后，再将熔体在螺杆作用下以外圆环内圆盘状喷丝孔的喷丝板挤出到空气中，自然冷却，经牵伸而成截面形状为圆形中空的纤维，其中空部分占总体积的I %，纤维等效直径为500nm ；第三步，后期整理，将金属Cu颗粒填入中空部分形成芯部后，将半导体Si颗粒均匀地涂制在线体表面，形成表层，厚度为50nm，后再经上油、拉伸和定型エ序卷取成型，使得其具有将良好的光泽、顔色和触感。所得到的保温纺织物，阳光下呈青黑色，光泽细腻，具有良好的触感和抗磨损能力，光热转化效率达到85%。实施例2一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，參照图2，载体为人工聚合物PTA和添加物金属Cu颗粒的混合物A，内部为中空部分B，外表面为半导体为Si颗粒1，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8:1:1 ;以中空部分B为芯部，人工聚合物PTA和添加物金属Cu颗粒的混合物A为主体，半导体Si颗粒I包裹于最外层为表层，形成截面为圆形的中空圆柱型结构，其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm，中空部分B占整体的比例范围为I %，表层厚度为50nm。一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料的制备エ艺，包括以下步骤第一歩，原料准备，准备载体和添加物，载体为人工聚合物PTA，添加物由金属Cu颗粒和半导体Si颗粒构成，三者质量比例为8:1:1;第二歩，形成纤维，将准备好的载体人工聚合物PTA和金属Cu颗粒均匀混合，混合的质量比为9 :1，经由聚酯装置形成聚酯熔体后再将熔体在螺杆作用下以外圆环内圆盘状喷丝孔的喷丝板挤出到空气中，自然冷却，经牵伸而成截面形状为圆形中空的纤维，其中空部分占总体积的I %，纤维等效直径为500nm ；第三步，后期整理，将半导体Si颗粒均匀地涂制在线体表面，形成表层，厚度为50nm，后再经上油、拉伸和定型エ序卷取成型，使得其具有将良好的光泽、顔色和触感。所得到的保温纺织物，因中空更轻，阳光下呈青黑色，光泽细腻，具有良好的触感和抗磨损能力，光热转化效率达到82%。实施例3一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，參照图3，载体为人工聚合物PTA和添加物金属Cu颗粒的混合物A，外表面为半导体为Si颗粒1，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8 1:1;以人工聚合物PTA和添加物金属Cu颗粒的混合物A为主体，半导体Si颗粒I包裹于最外层为表层，形成截面为圆形的实心圆柱型结构；其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm，表层厚度为50nm。 一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料的制备エ艺，包括以下步骤第一歩，原料准备，准备载体和添加物，载体为人工聚合物PTA，添加物由金属Cu颗粒和半导体Si颗粒构成，三者质量比例为8:1:1; 第二歩，形成纤维，将准备好的载体人工聚合物PTA和金属Cu颗粒均匀混合，混合的质量比为9:1，经由聚酯装置形成聚酯熔体后，再将熔体在螺杆作用下以外圆环状喷丝孔的喷丝板挤出到空气中，自然冷却，经牵伸而成截面形状为圆形实心的纤维，纤维等效直径为500nm ；第三步，后期整理，将半导体Si颗粒均匀地涂制在线体表面，形成表层，厚度为50nm，后再经上油、拉伸和定型エ序卷取成型，使得其具有将良好的光泽、顔色和触感。所得到的保温纺织物，阳光下呈青黑色，光泽细腻，具有良好的触感和抗磨损能力，光热转化效率达到77%。实施例4一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，參照图4，载体为人工聚合物PTA和添加物半导体Si颗粒的混合物C，内部为添加物金属Cu颗粒3，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8:1:1 ;以人工聚合物PTA和添加物半导体Si颗粒的混合物C为主体，添加物金属Cu颗粒3为芯部，形成截面为圆形的圆柱型结构；其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的颗粒等效直径为5nm。—种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料的制备エ艺，包括以下步骤第一歩，原料准备，准备载体和添加物，载体为人工聚合物PTA，添加物由金属Cu颗粒和半导体Si颗粒构成，三者质量比例为8:1:1;第二步，形成纤维，将准备好的载体人工聚合物PTA和半导体Si颗粒均匀混合，混合的质量比为9 :1，经由聚酯装置形成聚酯熔体后，再将熔体在螺杆作用下以外圆环内圆盘状喷丝孔的喷丝板挤出到空气中，自然冷却，经牵伸而成截面形状为圆形空心的纤维，其中空部分占总体积的I纤维等效直径为500nm，其中空部分占总体积的1% ；第三步，后期整理，将金属Cu颗粒填入中空部分形成芯部，厚度为50nm，后再经上油、拉伸和定型エ序卷取成型，使得其具有将良好的光泽、顔色和触感。所得到的保温纺织物，阳光下呈灰白色，光泽细腻，具有良好的触感和抗磨损能力，光热转化效率达到80%。
实施例5一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，參照图5，载体为人工聚合物PTA、添加物半导体Si颗粒和添加物金属Cu颗粒的混合物D，内部为中空部分B，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8:1:1 ;人工聚合物PTA、添加物半导体Si颗粒和添加物金属Cu颗粒的混合物D为主体，中空部分B为芯部，形成截面为圆形的圆柱型结构；其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm，中空部分B占总体积的I %。一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料的制备エ艺，包括以下步骤第一歩，原料准备，准备载体人工聚合物PTA、添加物金属Cu颗粒和添加物半导体Si颗粒，三者质量比例为8:1 1 ；第二步，形成纤维，将准备好的载体人工聚合物PTA、半导体Si颗粒和金属Cu颗粒 均匀混合D，混合的质量比为8 1 :1，经由聚酯装置形成聚酯熔体后，再将熔体在螺杆作用下以外圆环内圆盘状喷丝孔的喷丝板挤出到空气中，自然冷却，经牵伸而成截面形状为圆形空心的纤维，纤维等效直径为500nm，其中空部分占总体积的1% ；第三步，后期整理，经上油、拉伸和定型エ序卷取成型，使得其具有将良好的光泽、颜色和触感。所得到的保温纺织物，因中空更轻，阳光下呈紫黑色，光泽细腻，具有良好的触感和抗磨损能力。光热转化效率达到74%。实施例6一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，參照图6，载体为人工聚合物PTA、添加物半导体Si颗粒和添加物金属Cu颗粒的混合物D，并为主体，形成截面为圆形的圆柱型结构,人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8:1 1 ;其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm。一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料的制备エ艺，包括以下步骤第一歩，原料准备，准备载体人工聚合物PTA、添加物金属Cu颗粒和添加物半导体Si颗粒，三者质量比例为8 1 :1。第二步,形成纤维,将准备好的载体人工聚合物PTA、半导体Si颗粒和金属Cu颗粒均匀混合，混合的质量比为8 1 :1，经由聚酯装置形成聚酯熔体后，再将熔体在螺杆作用下以外圆环状喷丝孔的喷丝板挤出到空气中，自然冷却，经牵伸而成截面形状为圆形实心的纤维，纤维等效直径为500nm ；第三步，后期整理，经上油、拉伸和定型エ序卷取成型，使得其具有将良好的光泽、颜色和触感。所得到的保温纺织物，阳光下呈紫黑色，光泽细腻，具有良好的触感和抗磨损能力。光热转化效率达到76%。
权利要求
1.一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，其特征在于由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，载体和添加物的质量比在50 50至99 1之间，载体为有机聚合物，有机聚合物包括人工和天然聚合物，添加物由金属、半导体和绝缘介质的ー种或者一种以上构成，金属为Au、Ag、Cu、Fe、Ni、Mo、Cr、Al、W、Pt、Zr、Zn、Mg及其合金，半导体为Si、Ge、GaAs、AlAs、InP、GaN、InN及其化合物，绝缘介质采用无机化合物，为氮化物、氧化物、硫化物、硅化物或硼化物。
2.所述的添加物的颗粒等效直径范围为Inm至100μ m,形成纤维等效直径在50nm至100 μ m之间，若为中空，则中空部分占整体的比例范围为I %至50 %，若有表层，则表层厚度在Inm至50 μ m之间。
3.根据权利要求I和2所述的ー种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，其特征在于由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，载体为人工聚合物PTA (2)，添加物由金属和半导体构成，金属为Cu颗粒(3)，半导体为Si颗粒(1)，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8 1 1 ;以金属Cu颗粒(3)为芯部，人工聚合物PTA(2)为主体，半导体Si颗粒(I)包裹于最外层为表层，形成截面为圆形的圆柱型结构，其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm。
4.根据权利要求I和2所述的ー种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，其特征在于由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，载体为人工聚合物PTA和添加物金属Cu颗粒的混合物(A)，内部为中空部分(B)，外表面为半导体为Si颗粒(1)，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8 :1 1 ;以中空部分(B)为芯部，人工聚合物PTA和添加物金属Cu颗粒的混合物(A)为主体，半导体Si颗粒(I)包裹于最外层为表层，形成截面为圆形的中空圆柱型结构，其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm，中空部分(B)占整体的比例范围为1%，表层厚度为50nm。
5.根据权利要求I和2所述的ー种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，其特征在于由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，载体为人工聚合物PTA和添加物金属Cu颗粒的混合物(A)，外表面为半导体为Si颗粒(1)，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8:1:1 ;以人工聚合物PTA和添加物金属Cu颗粒的混合物(A)为主体，半导体Si颗粒(I)包裹于最外层为表层，形成截面为圆形的实心圆柱型结构；其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm，表层厚度为50nm。
6.根据权利要求I和2所述的ー种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，其特征在于由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，载体为人工聚合物PTA和添加物半导体Si颗粒的混合物(C)，内部为添加物金属Cu颗粒(3)，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8 1 1 ;以人工聚合物PTA和添加物半导体Si颗粒的混合物(C)为主体，添加物金属Cu颗粒(3)为芯部，形成截面为圆形的圆柱型结构；其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm。
7.根据权利要求I和2所述的ー种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，其特征在于由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，载体为人工聚合物PTA、添加物半导体Si颗粒和添加物金属Cu颗粒的混合物(D)，内部为中空部分(B)，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8 :1 1 ;人工聚合物PTA、添加物半导体Si颗粒和添加物金属Cu颗粒的混合物(D)为主体，中空部分(B)为芯部，形成截面为圆形的圆柱型结构；其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm,中空部分(B)占总体积的1%。
8.根据权利要求I和2所述的一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，其特征在于由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，载体为人工聚合物PTA、添加物半导体Si颗粒和添加物金属Cu颗粒的混合物(D)，并为主体，形成截面为圆形的圆柱型结构，人工聚合物PTA、金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的质量比例为8 :1 1 ;其中，金属Cu颗粒和半导体Si颗粒的等效直径为5nm。
9.根据权利要求I和2所述的一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，其特征在于蓄热保温材料的制备方法，包括以下步骤 第一步，原料准备准备载体和添加物，载体和各种添加物之质量比例在50 50至99 I之间； 第二步，形成纤维将准备好的载体和添加物经由聚酯装置形成聚酯熔体后，再将熔体在螺杆作用下以不同类型的喷丝板挤出到空气中，自然冷却，经牵伸而成特定截面形状的纤维；喷丝板挤是外圆环内圆盘状喷丝孔的喷丝板以产生中空的圆管状丝，或是外圆环状喷丝孔的喷丝板以产生实心的圆管状丝，或是各种截面形状的实心或者中空的喷丝板；形成纤维等效直径在50nm至IOOiim之间，若为中空，则中空部分占整体的比例范围为1%至50% ； 第三步，后期整理若纤维为中空，则将金属添加物添加到纤维的中空部分；未添加绝缘介质颗粒或者是半导体颗粒的纤维丝，以一种或者一种以上绝缘介质和半导体颗粒附着于丝线表面，形成表层，厚度在Inm至50 y m之间，使得其具有将良好的光泽、颜色和触感。
全文摘要
一种基于太阳能光热转化的蓄热保温材料，由载体和附着在载体上的以颗粒形式存在的添加物构成，载体为有机聚合物，有机聚合物包括人工和天然聚合物，添加物由金属、半导体和绝缘介质的一种或者一种以上构成，制备方法是先准备载体和添加物，然后将准备好的载体和添加物经由聚酯装置形成聚酯熔体，再将熔体在螺杆作用下以特定喷丝孔的喷丝板挤出，经牵伸而成特定截面形状的纤维；再进一步对纤维进行后期整理，经上油、拉伸和定型工序卷取成型，使得其具有将良好的光泽、颜色和触感；最终将所得的丝线制成所需的纺织物，本发明材料能够有效隔热，蓄能加热，保温防寒。
文档编号D01F1/08GK102677207SQ20121016466
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者王健, 王金平, 罗毅 申请人:清华大学