具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构及其制备方法和应用与流程

本发明属于光热及导热复合材料技术领域，具体来说涉及一种具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构及其制备方法和应用。

背景技术：

太阳能是指太阳的热辐射能，在现代一般用作光伏发电或者为热水器提供能源，存在成本高、转化率低、应用受限等问题。高效利用太阳能进行采暖是未来太阳能开发利用的重要方向。

碳纳米材料(包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯等)具有良好的光热效应，能够在太阳光特别是近红外光作用下持续发热。碳纳米材料通常自组装或与其他材料复合制备光热薄膜，但是其表面必须在光照下才能出现光热效应，应用受限。

如何高效发挥碳纳米材料的光热效应，实现其在受限空间的应用，特别是建筑等内部空间的采暖，是当前能源领域的关键问题之一。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构的制备方法。

本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的碳-聚合物结构。

本发明的另一目的是提供上述碳-聚合物结构在长距离传输光能后再快速将光能转化成热能中的应用。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构的制备方法，包括以下步骤：

1)准备多根光纤：将一束光纤一端的光纤涂覆层剥去，将未剥去光纤涂覆层的光纤束作为a段光纤束，将剥去光纤涂覆层的光纤段作为b段光纤；

将多根b段光纤一起编织形成一散热结构，所述散热结构为平面结构或立体结构，再将所述散热结构重复涂层厚度调控方法1～15次，以使在散热结构上形成厚度为1～500μm的碳纳米材料涂层，得到连接在a段光纤束上的光纤网络，其中，所述涂层厚度调控方法为：将散热结构浸入分散液中0.5～10min后取出，于50～120℃干燥5～120min，所述分散液的制备方法为：将碳纳米材料分散在水或有机溶剂中，得到所述分散液，其中，所述分散液中碳纳米材料的浓度为0.1～3mg/ml，所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、炭黑或氧化石墨烯；

在所述步骤1)中，所述有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、异丙醇、n-甲基吡咯烷酮、氯仿和n,n-二甲基甲酰胺中的一种或几种的混合物。

2)将光纤网络置于混合物b中，在0.001～90kpa的绝对压强下处理5～60min，用于除去光纤网络与混合物b的界面处的气泡，然后将处理后的光纤网络从混合物b中取出或与混合物b一起于60～200℃的常压下固化1～4h，得到具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构，所述混合物b的制备方法为：将导热填料与高分子基体混合，搅拌0.5～10h后得到混合物b，其中，在所述混合物b中，所述导热填料的质量分数为1～35wt％，所述导热填料为石墨烯、碳纳米管、氮化硼、氧化铝、氮化铝或碳纤维，所述高分子基体为环氧树脂、聚二甲基硅氧烷或聚酰胺酸。

在上述技术方案中，所述散热结构中光纤未包覆有光纤涂覆层。

在上述技术方案中，在a段光纤束外包覆有一光纤涂覆层。

在上述技术方案中，所述平面结构为长方形网格结构、b段光纤平行间隔设置的结构或由全部b段光纤汇聚成一束后形成的平面螺旋结构。

在上述技术方案中，所述立体结构为由多根b段光纤沿同心圆形状间隔排列形成的圆柱结构且在圆柱结构的圆心位置再设置一根b段光纤，所述圆柱结构中所有的b段光纤相互平行。

上述制备方法获得的碳-聚合物结构。

在上述技术方案中，所述混合物b固化后形成聚合物基体，将处理后的光纤网络与混合物b一起于60～200℃的常压下固化1～4h，得到碳-聚合物结构的散热结构整体被聚合物基体封装；

将处理后的光纤网络从混合物b中取出后再于60～200℃的常压下固化1～4h，得到碳-聚合物结构的散热结构中的每根光纤外部均被聚合物基体封装。

上述碳-聚合物结构在长距离传输光能后再快速将光能转化成热能中的应用。

在上述技术方案中，在光照a段光纤束端面15～25s后，散热结构表面的温度升高至23～40℃。

在上述技术方案中，所述a段光纤束的长度(长距离)为5～25米。

本发明的有益效果如下：

本发明碳-聚合物结构设计巧妙、制备方法简单，外界光源能够通过柔性光纤传输到所需位置，光纤网络表面的碳纳米材料涂层能够吸收光纤发出的光能并转化为热能，含有导热填料的聚合物基体(混合物b固化后形成的层体)能够将热量迅速传递到碳-聚合物结构的表层，实现特定空间的加热或采暖。本发明的碳-聚合物结构通过结构设计，解决了外界光源的引入问题、碳-聚合物结构的内部加热问题及复合材料中热量的传输问题，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明制备方法的流程示意图；

图2为实施例1所得散热结构表面温度随光照时间的变化关系；

图3为实施例2所得散热结构表面温度随光照时间的变化关系；

图4为实施例3所得散热结构表面温度随光照时间的变化关系；

图5为实施例4所得散热结构表面温度随光照时间的变化关系；

图6为实施例5所得散热结构表面温度随光照时间的变化关系；

图7为实施例6所得散热结构表面温度随光照时间的变化关系；

图8为实施例7所得散热结构表面温度随光照时间的变化关系。

具体实施方式

石墨烯、氧化石墨烯、碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管、氮化硼、氧化铝和氮化铝均购买自南京先丰纳米材料科技有限公司；聚二甲基硅氧烷购买自美国道康宁公司；环氧树脂购买自深圳市郎博万先进材料有限公司；聚酰胺酸为自制，自制方法见参考文献：carbon109(2016)131-140；剩余溶剂均购买自天津市江天化工技术有限公司。

仪器：红外测温仪，福禄克tis75；

光源，中教金源hxf300，波长300～2500nm。

将多根b段光纤一起编织形成一散热结构：形成散热结构的主体均为b段光纤，但b段光纤并非全部用来组成散热结构，b段光纤还有一部分用于连接散热结构和a段光纤束。

在下述实施例中，将处理后的光纤网络与混合物b一起于60～200℃的常压下固化1～4h，得到碳-聚合物结构的散热结构整体被聚合物基体封装。

将处理后的光纤网络从混合物b中取出后再于60～200℃的常压下固化1～4h，得到碳-聚合物结构的散热结构中的每根光纤外部均被聚合物基体封装。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

一种具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构的制备方法，包括以下步骤：

1)准备多根光纤：将一束光纤一端的光纤涂覆层剥去，将未剥去光纤涂覆层的光纤束作为a段光纤束，将剥去光纤涂覆层的光纤段作为b段光纤；

将多根b段光纤一起编织形成一散热结构(散热结构中光纤未包覆有光纤涂覆层)，散热结构为正方形网格结构，正方形网格结构中正方形网孔的边长为2mm，再将散热结构重复涂层厚度调控方法1次，以使在散热结构上形成厚度为1μm的碳纳米材料涂层(即碳纳米材料@光纤网络)，得到连接在a段光纤束上的光纤网络(在a段光纤束外包覆有一光纤涂覆层)，其中，涂层厚度调控方法为：将散热结构浸入分散液中0.5min后取出，于50℃干燥5min，分散液的制备方法为：将碳纳米材料分散在有机溶剂中，得到分散液，其中，分散液中碳纳米材料的浓度为0.1mg/ml，碳纳米材料为碳纳米管；有机溶剂为丙酮。

2)将光纤网络置于混合物b中，然后将所得的光纤网络与混合物b一并在0.001kpa的绝对压强下处理60min，用于除去光纤网络与混合物b界面处的气泡，然后将处理后的光纤网络与混合物b再一起于60℃的常压下固化4h，得到具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构，混合物b的制备方法为：将导热填料与高分子基体混合，搅拌0.5h后得到混合物b，其中，在混合物b中，导热填料的质量分数为1wt％，导热填料为石墨烯，高分子基体为环氧树脂。

将光源发出的光功率密度为3w/cm²的模拟太阳光垂直射入a段光纤束的端面，模拟太阳光沿着a段光纤束传入每根b段光纤(其中a段光纤束长度为10m)，b段光纤的碳纳米材料涂层吸收光能产生热量，热量经聚合物基体扩散到散热结构的表面，采用红外测温仪测试20℃室温下散热结构表面的温度随光照时间的变化关系(如图2所示)，光照开始后散热结构表面的温度迅速升高，光照24s后散热结构表面温度达到23℃并保持平衡；该散热结构有望在光照无法到达的内部空间作为加热贴片使用。

实施例2

一种具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构的制备方法，包括以下步骤：

1)准备多根光纤：将一束光纤一端的光纤涂覆层剥去，将未剥去光纤涂覆层的光纤束作为a段光纤束，将剥去光纤涂覆层的光纤段作为b段光纤；

将多根b段光纤一起编织形成一散热结构(散热结构中光纤未包覆有光纤涂覆层)，散热结构为平面结构，平面结构为由b段光纤平行间隔设置的结构，每两根相邻光纤之间的距离为2mm，再将散热结构重复涂层厚度调控方法5次，以使在散热结构上形成厚度为20μm的碳纳米材料涂层，得到连接在a段光纤束上的光纤网络(在a段光纤束外包覆有一光纤涂覆层)，其中，涂层厚度调控方法为：将散热结构浸入分散液中1min后取出，于60℃干燥20min，分散液的制备方法为：将碳纳米材料分散在有机溶剂中，得到分散液，其中，分散液中碳纳米材料的浓度为0.5mg/ml，碳纳米材料为石墨烯；有机溶剂为异丙醇。

2)将光纤网络置于混合物b中，然后将所得的光纤网络与混合物b一并在0.1kpa的绝对压强下处理50min，用于除去光纤网络与混合物b界面处的气泡，然后将处理后的光纤网络从混合物b中取出后再于80℃的常压下固化2h，得到具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构，混合物b的制备方法为：将导热填料与高分子基体混合，搅拌1h后得到混合物b，其中，在混合物b中，导热填料的质量分数为5wt％，导热填料为碳纤维，高分子基体为聚二甲基硅氧烷。

将光源发出的光功率密度为3w/cm²的模拟太阳光垂直射入a段光纤束的端面，模拟太阳光沿着a段光纤束传入每根b段光纤(其中a段光纤束长度为15m)，b段光纤的碳纳米材料涂层吸收光能产生热量，热量经聚合物基体扩散到散热结构的表面，采用红外测温仪测试20℃室温下散热结构表面的温度随光照时间的变化关系(如图3所示)，光照开始后散热结构的表面温度迅速升高，光照24s后散热结构表面温度达到26℃并保持平衡；该散热结构有望在光照无法到达的内部空间作为加热贴片使用。

实施例3

一种具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构的制备方法，包括以下步骤：

1)准备多根光纤：将一束光纤一端的光纤涂覆层剥去，将未剥去光纤涂覆层的光纤束作为a段光纤束，将剥去光纤涂覆层的光纤段作为b段光纤；

将多根b段光纤一起编织形成一散热结构(散热结构中光纤未包覆有光纤涂覆层)，散热结构为立体结构，立体结构为由多根b段光纤沿同心圆形状间隔排列形成的圆柱结构且在圆柱结构的圆心位置再设置一根b段光纤(圆柱结构中的b段光纤相互平行)，其中，在多个同心圆的每一个圆形上，任意相邻b段光纤的距离为2mm。再将散热结构重复涂层厚度调控方法10次，以使在散热结构上形成厚度为200μm的碳纳米材料涂层，得到连接在a段光纤束上的光纤网络(在a段光纤束外包覆有一光纤涂覆层)，其中，涂层厚度调控方法为：将散热结构浸入分散液中10min后取出，于80℃干燥10min，分散液的制备方法为：将碳纳米材料分散在水中，得到分散液，其中，分散液中碳纳米材料的浓度为2mg/ml，碳纳米材料为氧化石墨烯。

2)将光纤网络置于混合物b中，然后将所得的光纤网络与混合物b一并在50kpa的绝对压强下处理10min，用于除去光纤网络与混合物b界面处的气泡，然后将处理后的光纤网络与混合物b再一起于100℃的常压下固化1h，得到具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构，混合物b的制备方法为：将导热填料与高分子基体混合，搅拌2h后得到混合物b，其中，在混合物b中，导热填料的质量分数为20wt％，导热填料为氮化硼，高分子基体为聚酰胺酸。

将光源发出的光功率密度为3w/cm²的模拟太阳光垂直射入a段光纤束的端面，模拟太阳光沿着a段光纤束传入每根b段光纤(其中a段光纤束长度为5m)，b段光纤的碳纳米材料涂层吸收光能产生热量，热量经聚合物基体扩散到散热结构的表面，采用红外测温仪测试20℃室温下散热结构表面的温度随光照时间的变化关系(如图4所示)，光照开始后散热结构的表面温度迅速升高，光照21s后散热结构表面温度达到35℃并保持平衡；该散热结构有望在光照无法到达的内部空间作为加热棒使用。

实施例4

一种具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构的制备方法，包括以下步骤：

1)准备多根光纤：将一束光纤一端的光纤涂覆层剥去，将未剥去光纤涂覆层的光纤束作为a段光纤束，将剥去光纤涂覆层的光纤段作为b段光纤；

将多根b段光纤一起编织形成一散热结构(散热结构中光纤未包覆有光纤涂覆层)，散热结构为由全部b段光纤汇聚成一束后形成的平面螺旋结构，再将散热结构重复涂层厚度调控方法5次，以使在散热结构上形成厚度为10μm的碳纳米材料涂层，得到连接在a段光纤束上的光纤网络(在a段光纤束外包覆有一光纤涂覆层)，其中，涂层厚度调控方法为：将散热结构浸入分散液中2min后取出，于120℃干燥30min，分散液的制备方法为：将碳纳米材料分散在有机溶剂中，得到分散液，其中，分散液中碳纳米材料的浓度为0.2mg/ml，碳纳米材料为碳纳米纤维；有机溶剂为n-甲基吡咯烷酮。

2)将光纤网络置于混合物b中，然后将所得的光纤网络与混合物b一并在90kpa的绝对压强下处理5min，用于除去光纤网络与混合物b界面处的气泡，然后将处理后的光纤网络与混合物b再一起于200℃的常压下固化3h，得到具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构，混合物b的制备方法为：将导热填料与高分子基体混合，搅拌2h后得到混合物b，其中，在混合物b中，导热填料的质量分数为30wt％，导热填料为氧化铝，高分子基体为聚酰胺酸。

将光源发出的光功率密度为3w/cm²的模拟太阳光垂直射入a段光纤束的端面，模拟太阳光沿着a段光纤束传入每根b段光纤(其中a段光纤束长度为15m)，b段光纤的碳纳米材料涂层吸收光能产生热量，热量经聚合物基体扩散到散热结构表面，采用红外测温仪测试20℃室温下散热结构表面的温度随光照时间的变化关系(如图5所示)，光照开始后散热结构的表面温度迅速升高，光照21s后散热结构表面温度达到25℃并保持平衡；该散热结构有望在光照无法到达的内部空间作为加热片使用。

实施例5

一种具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构的制备方法，包括以下步骤：

1)准备多根光纤：将一束光纤一端的光纤涂覆层剥去，将未剥去光纤涂覆层的光纤束作为a段光纤束，将剥去光纤涂覆层的光纤段作为b段光纤；

将多根b段光纤一起编织形成一散热结构(散热结构中光纤未包覆有光纤涂覆层)，散热结构为正方形网格结构，正方形网格结构中正方形网孔的边长为3mm，再将散热结构重复涂层厚度调控方法10次，以使在散热结构上形成厚度为50μm的碳纳米材料涂层，得到连接在a段光纤束上的光纤网络(在a段光纤束外包覆有一光纤涂覆层)，其中，涂层厚度调控方法为：将散热结构浸入分散液中2min后取出，于50℃干燥20min，分散液的制备方法为：将碳纳米材料分散在有机溶剂中，得到分散液，其中，分散液中碳纳米材料的浓度为0.1mg/ml，碳纳米材料为炭黑；有机溶剂为氯仿。

2)将光纤网络置于混合物b中，然后将所得的光纤网络与混合物b一并在1kpa的绝对压强下处理60min，用于除去光纤网络与混合物b界面处的气泡，然后将处理后的光纤网络与混合物b再一起于60℃的常压下固化3h，得到具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构，混合物b的制备方法为：将导热填料与高分子基体混合，搅拌0.5h后得到混合物b，其中，在混合物b中，导热填料的质量分数为5wt％，导热填料为碳纳米管，高分子基体为环氧树脂。

将光源发出的光功率密度为3w/cm²的模拟太阳光垂直射入a段光纤束的端面，模拟太阳光沿着a段光纤束传入每根b段光纤(其中a段光纤束长度为20m)，b段光纤的碳纳米材料涂层吸收光能产生热量，热量经聚合物基体扩散到散热结构的表面，采用红外测温仪测试20℃室温下散热结构表面的温度随光照时间的变化关系(如图6所示)，光照开始后散热结构的表面温度迅速升高，光照18s后散热结构表面温度达到33℃并保持平衡；该散热结构有望在光照无法到达的内部空间作为加热贴片使用。

实施例6

一种具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构的制备方法，包括以下步骤：

1)准备多根光纤：将一束光纤一端的光纤涂覆层剥去，将未剥去光纤涂覆层的光纤束作为a段光纤束，将剥去光纤涂覆层的光纤段作为b段光纤；

将多根b段光纤一起编织形成一散热结构(散热结构中光纤未包覆有光纤涂覆层)，散热结构为平面结构，平面结构为由多根b段光纤平行间隔设置的结构，每两根相邻b段光纤的距离为2mm，再将散热结构重复涂层厚度调控方法10次，以使在散热结构上形成厚度为100μm的碳纳米材料涂层，得到连接在a段光纤束上的光纤网络(在a段光纤束外包覆有一光纤涂覆层)，其中，涂层厚度调控方法为：将散热结构浸入分散液中1min后取出，于60℃干燥20min，分散液的制备方法为：将碳纳米材料分散在有机溶剂中，得到分散液，其中，分散液中碳纳米材料的浓度为0.5mg/ml，碳纳米材料为石墨烯；有机溶剂为四氢呋喃。

2)将光纤网络置于混合物b中，然后将所得的光纤网络与混合物b一并在0.1kpa的绝对压强下处理50min，用于除去光纤网络与混合物b界面处的气泡，然后将处理后的光纤网络与混合物b再一起于80℃的常压下固化2h，得到具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构，混合物b的制备方法为：将导热填料与高分子基体混合，搅拌1h后得到混合物b，其中，在混合物b中，导热填料的质量分数为35wt％，导热填料为氮化铝，高分子基体为聚二甲基硅氧烷。

将光源发出的光功率密度为3w/cm²的模拟太阳光垂直射入a段光纤束的端面，模拟太阳光沿着a段光纤束传入每根b段光纤(其中a段光纤束长度为20m)，b段光纤的碳纳米材料涂层吸收光能产生热量，热量经聚合物基体扩散到散热结构的表面，采用红外测温仪测试20℃室温下散热结构表面的温度随光照时间的变化关系(如图7所示)，光照开始后散热结构的表面温度迅速升高，光照18s后散热结构表面温度达到36℃并保持平衡；该散热结构有望在光照无法到达的内部空间作为加热贴片使用。

实施例7

一种具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构的制备方法，包括以下步骤：

1)准备多根光纤：将一束光纤一端的光纤涂覆层剥去，将未剥去光纤涂覆层的光纤束作为a段光纤束，将剥去光纤涂覆层的光纤段作为b段光纤；

将多根b段光纤一起编织形成一散热结构(散热结构中光纤未包覆有光纤涂覆层)，散热结构为平面结构，平面结构为多根b段光纤平行间隔设置的结构，每两根相邻b段光纤的距离为1mm，再将散热结构重复涂层厚度调控方法15次，以使在散热结构上形成厚度为500μm的碳纳米材料涂层，得到连接在a段光纤束上的光纤网络(在a段光纤束外包覆有一光纤涂覆层)，其中，涂层厚度调控方法为：将散热结构浸入分散液中1min后取出，于100℃干燥30min，分散液的制备方法为：将碳纳米材料分散在有机溶剂中，得到分散液，其中，分散液中碳纳米材料的浓度为1mg/ml，碳纳米材料为石墨烯；有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺。

2)将光纤网络置于混合物b中，然后将所得的光纤网络与混合物b一并在5kpa的绝对压强下处理50min，用于除去光纤网络与混合物b界面处的气泡，然后将处理后的光纤网络与混合物b再一起于80℃的常压下固化2h，得到具有光热效应和导热性能的碳-聚合物结构，混合物b的制备方法为：将导热填料与高分子基体混合，搅拌1h后得到混合物b，其中，在混合物b中，导热填料的质量分数为10wt％，导热填料为石墨烯，高分子基体为聚二甲基硅氧烷。

将光源发出的光功率密度为3w/cm²的模拟太阳光垂直射入a段光纤束的端面，模拟太阳光沿着a段光纤束传入每根b段光纤(其中a段光纤束长度为8m)，b段光纤的碳纳米材料涂层吸收光能产生热量，热量经聚合物基体扩散到散热结构的表面，采用红外测温仪测试20℃室温下散热结构表面的温度随光照时间的变化关系(如图8所示)，光照开始后散热结构的表面温度迅速升高，光照15s后散热结构表面温度达到40℃并保持平衡；该散热结构有望在光照无法到达的内部空间作为加热贴片使用。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。