一种油凝胶及其制备方法与应用

本发明涉及材料领域，涉及一种油凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

科技的发展依赖于新能源的开发与利用，而人类社会的可持续发展则依赖于清洁能源的有效利用。因此，开发利用清洁新能源是人类社会发展进步的必然选择。在众多的可持续清洁能源的发展下，太阳能作为一种自然界内广泛存在的新型能源技术，在生产生活中扮演了越来越重要的角色。将光转化为热的利用形式极大地丰富光能的应用场景，提高光能的使用范围与效率，已经在海水淡化、分析检测和癌症诊疗等领域发挥着举足轻重的作用。目前，光热转换领域研究的重点与难点是光热转化材料的制备方法复杂以及材料本身的耐热性差同时，目前众多的光热材料只能利用太阳光谱的某一段，因此为了更好的利用太阳光，发展一种宽谱吸收的光热转换材料将会对这一关键问题得到更有效地解决。

目前，无机光热转换材料包含碳基，金属基，以及半导体基的光热转换材料。其中碳基的光热转换材料应用最为广泛，但其存在的几个缺陷使其只能应用于太阳能热水器等低温领域(200℃以下)，第一，无机材料在实际的应用过程中需要负载其他的材料，从而实现更好的性能以及成型化的加工，使生产制备的流程更加复杂。第二，无机光热转换材料在高温环境中容易氧化、分解，造成光热材料性能的下降甚至失效。第三，一些无机光热材料如硫属铜基或过渡金属氧化物类型的半导体光热材料因含有重金属元素，难降解及长期稳定性不高。此外，无机光热转换材料难以大规模批量生产，成型加工性能差，这些问题共同制约了无机光热转换材料的进一步发展和应用。有机光热转换材料多数集中在以共轭聚合物为代表的聚合物上。依赖于长的共轭结构通常能够带来更低的跃迁能级，从而能够在吸收光能之后更大程度上实现非辐射跃迁进而产生更多的热量。然而，相对于无极光热材料，有机共轭聚合物分子间作用力强，根本上无法大规模的成型加工，只能通过溶剂或者高温的方式进行小规模、小尺寸的制备，同时有机材料难以承受高温，因此，目前太阳能光热市场上尚无有机材料。橡胶作为一种加工简便、价格低廉、性能优异的材料广泛应用于工业与生活领域，但目前对于橡胶的改性一般都通过功能性掺杂使其能应用于各种特殊的环境中，还没有任何文献将橡胶制备成凝胶并研究其性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种油凝胶及其制备方法与应用。

本发明提供的制备油凝胶的方法，包括：

1)将橡胶溶于有机溶剂后，加碘溶解，得到光热前驱体；

2)将所述光热前驱体固化成型，挥发溶剂，热台处理，得到所述油凝胶。

上述方法中，所述橡胶为工业级橡胶原料；具体选自反式聚异戊二烯、天然橡胶、顺式聚异戊二烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs)和丁苯橡胶(sbr)中至少一种；

所述有机溶剂选自c1-c6的烷烃、c2-c10的烯烃，c1-c20的醇、c1-c20的醛、酸、c1-c40的酯、c1-c100的醚、c1-c100的酮、芳香烃、氢化烃、萜烯烃、卤代烃、杂环化物、含氮化合物和含硫化合物中至少一种；

具体选自三氯甲烷、二氯甲烷、乙醇、四氢呋喃、二甲基亚砜、甲苯、二甲苯、戊烷、己烷、辛烷、环己烷、环己酮、甲苯环己酮、乙醚、丙酮和乙腈中至少一种。

所述步骤1)中，所述橡胶与所述有机溶剂的用量比为0.01-20g：100ml；具体为5g：100ml；

所述橡胶与碘的摩尔比为1-10：1；具体为1-2:1或4-5:1；

所述溶解步骤中，温度为0-180℃；具体为50℃。

所述步骤2)固化成型步骤中，温度为0-180℃；具体为80℃；

所述热台处理步骤中，温度为50-350℃；具体为150℃；时间为0.5-48h；具体为0.5-24h；具体为4h。该步骤的目的是除去未结合的碘单质。

另外，按照上述方法制备得到的油凝胶及由所述油凝胶制得的光热涂层，也属于本发明的保护范围。

所述光热涂层的厚度为20-80微米，具体可为30微米。

本发明提供的制备所述光热涂层的方法，包括：将所述油凝胶涂于金属基底表面而得。

上述方法中，所述基底为铁、铝或其合金；

所述涂的方法为喷涂、刷涂或流平；

所述油凝胶的用量为每平方米使用200-2000g；具体为每平方米使用400g。

另外，上述本发明提供的光热涂层在光热转换中的应用及在制备光热转换产品中的应用，也属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于碘掺杂橡胶合成油凝胶的方法，并将其应用于光热转换这一领域，解决光热转换材料制备过程中的问题并应用于实际的生产生活中。这一方法，有望为橡胶的加工以及油凝胶的制备提供新的思路，为有机光热转换材料提出新的制备方法。

本发明提供的油凝胶具有如下优势：

(1)本申请制备的油凝胶原料便宜易得，制备方式简单，需要的工艺设备少，仅需要搅拌溶解；

(1)本申请制备的有机黑凝胶的优势为制备方式简单，需要的工艺设备少，均相反应，不会发生相分离，具有本征黑的特征，适合新时代化学工厂的大规模生产，适应多种应用场景。

(2)本申请得到的油凝胶根据反应加入的碘的量与反应时的温度能够对反应进程进行调控，从而对油凝胶的性能进行调控。

(3)本申请制备的油凝胶具有优异的光热转换性能，并且可以通过涂布负载于不同基底上实现光热转换的性能。

(4)本申请中得到的油凝胶热稳定性高，能够实现多个循环下无衰减的优异的光热转换重复性。满足实际的应用需求。

附图说明

图1为不同模具注塑得到不同形状的油凝胶。

图2为热失重分析油凝胶的热稳定情况。

图3为808nm与1064nm光源照射，不同光功率下油凝胶的光热转换性能。

图4为808nm与1064nm光源照射下油凝胶的光热转换稳定性测试。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1、

制备苯乙烯-丁二烯-苯乙烯掺杂碘油凝胶块状材料；

所述油凝胶是由以下原料制得：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs)，三氯甲烷，碘；

制备方法包含以下步骤：

将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs)以5％质量体积百分比(也即橡胶与三氯甲烷的用量比为5g：100ml)溶解于三氯甲烷中，充分溶解。随后在其中加入碘，其中碘与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的比例为1：2，加磁子于50℃不断搅拌溶解，使其充分接触反应。溶液逐渐变得粘稠，将其倒入模具中于80℃进行固化成型，制备得到不同形貌的黑色块状材料。随后在室温下挥发三氯甲烷，热台处理150℃进一步挥发三氯甲烷4小时，得到本发明提供的油凝胶。

实施例2：

实施例2-5与实施例1的步骤相同，调整橡胶与碘的摩尔比例为1：0、10：1，5：1，4：1，1：1。

上述实验所得的混合物性能如表1所示：可知，当没有碘参与，油凝胶无法交联；当橡胶与碘比例在1：1至1：2之间时比较合适，碘的量太少会让反应进行较慢，不利于后续实验。

表1不同比例所得混合溶剂的性能

实施例6-10与实施例1的步骤相同，其中的有机溶剂依次替换为二氯甲烷、四氢呋喃、甲苯，二氧六环、环己烷：成胶性能相差不大，会影响后期固化时间，因此可以推断，有机溶剂或者其混合液均可以使用。

实施例11：

制备苯乙烯-丁二烯-苯乙烯掺杂碘油凝胶涂料，所述油凝胶是由以下原料制得：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯，三氯甲烷，碘；制备方法包含以下步骤：将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯以5％质量体积百分比溶解于三氯甲烷中，充分溶解。随后在其中加入碘，其中碘与橡胶的摩尔比例为2：1，加磁子不断搅拌，使其充分接触反应。溶液逐渐变得粘稠，此时将溶液涂布于市售高压锅底，均匀涂布。

与上述实施例1不同之处在于，此处的应用为基于油凝胶光热涂层。

实施例12：实施例1中的油凝胶块装材料热稳定性分析

用热重分析仪在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系。设置升温速率为10℃/min,从室温烧到600℃比较其热稳定性的差异。

实验结果如图2所示，油凝胶展现出在250摄氏度处理两小时后，超过350摄氏度的稳定性。

实施例13：实施例1中的油凝胶块装材料光热转换测试

用fluketix660红外相机采集808nm以及1064nm激光照射下薄片光热转换升温数据。得到的升温情况与光源的功率相关，具体的实验过程及结果如下：

控制光热转换测试时室温为25℃，在808nm以及1064nm光源不同功率(0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1w/cm²)照射下测试油凝胶块状材料光热转换温度上升情况。照射时间设定为3min，冷却时间为3min，测试3个循环，记录最终升温。

实验结果如图3所示，记录了不同红外功率照射3min苯乙烯-丁二烯-苯乙烯最终升温。在功率为0.1w/cm²照射3min后，表面温度可达34摄氏度(808nm),1064nm光照下可达到28摄氏度；而升高功率，在0.9w/cm²，油凝胶表面温度超过200摄氏度在1064nm和808nm光源照射下，在功率为1.1w/cm²的光功率下照射3min后，油凝胶表面温度可达到220摄氏度以上。

实施例14：实施例1中的油凝胶块装材料光热转换稳定性测试

用fluketix660红外相机采集808nm以及1064nm激光在0.9w/cm²照射下油凝胶块状材料光热转换升温数据。得到的升温情况与光源的功率相关，具体的实验过程及结果如下：

控制光热转换测试时室温为25℃，在808nm以及1064nm光源0.7w/cm²的光功率照射下测试油凝胶块状材料光热转换温度上升情况。照射时间设定为3min，冷却时间为3min，测试20个循环，记录过程温度变化情况。

实验结果如图3所示，记录了不同红外功率照射并冷却，20个循环之后，温度稳定在200摄氏度以上，稳定变化，未见明显的光热转化性能下降。