一种兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜及其制备方法
【专利说明】
一、技术领域
[0001]本发明涉及一种薄膜材料及其制备方法，具体地说是一种兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜及其制备方法。
二、【背景技术】
[0002]在当今社会生产过程中，能源作为现代经济的重要支撑，是人类社会赖以生存和发展的重要基础，在促进经济社会发展的进程中占据重要的地位。近来，国家及各地区的经济发展水平受到了能源供应及安全保障系统的制约，如何实现长期有效的能源可持续发展，一直是国家未来发展规划战略的重要组成部分。但是，随着对能源资源的大量使用，造成能源消费总量的持续增长，由此产生的环境污染及造成的能源消耗问题日益突出，而能源系统所受资源和环境的约束越来越强大，资源和环境的问题已经成为关乎社会发展的严峻问题。作为世界上人口最多的国家，同时是世界上的能源生产和消费国，未来中国的能源供应和需求问题仍旧十分突出:能源的利用和污染严重，人均能源资源占有率低以及突出的能源储备和结构问题，这些问题都亟待解决。
[0003]在所有的能源使用形式中，热能是使用最广泛的。在各种能源的使用过程中，多数都是通过热能转换的途径来满足人们需求。但是在能源使用的过程中，其中58%的能源在使用过程中都以热的形式被白白耗散，减低了能源利用率。另外，能源的利用存在时间匹配问题，并不是每时每刻都在利用能源，而是需要把能源提前收集起来，在需要的时间中进行利用。所以，如何实现储热、合理并高效利用热能，是解决热能供给问题及能率利用率低的有效途径。面临突出的能源短缺问题，如何有效使用取之不尽、用之不竭的清洁能源一一太阳能，是解决能源问题的有效手段之一，而且同时由于太阳能的环保、清洁及可再生，避免了对环境的污染。因此，在当前对环境保护日益严格的情况下，太阳能的利用具有特别重要的意义。太阳能功能材料拥有良好的应用前景，而优秀的光热转换材料将有利于实现能源的有效利用和对环境的保护。
[0004]利用相变材料在相变过程中吸收和储存能量的特性，在光热转换过程的同时实现能量的储存和利用，同时通过改变相变材料的种类和含量，进行能量的调节和控制，是一种发展节能技术的有效研究手段。相变储能具有储能密度高、储能温度容易控制和选择范围广等优点，相变储能材料主要分为有机相变材料和无机相变材料。无机相变材料导热系数高、单位体积储热能力强、成本低廉易于获取、溶解热较高，但是会出现过冷和相分离、有析出现象，体积变化较大。有机相变材料适用温度范围广、化学性能稳定、安全无毒无腐蚀，与传统结构材料的兼容性较好，固化时无明显过冷现象，循环利用性能强，但是固态时导热性能低、单位体积储热能力差、固-液相变时会出现液体泄漏，而且导热系数低，这些缺点限制了其在多个研究方面的应用。因此为了解决这些问题，科研工作者逐渐发展了定形相变材料，这在一定程度上改善了相变储能材料的性能，提高了其热学稳定性和导热性能，但是传统的定形相变材料在使用的过程中依旧存在封装、泄漏等方面的问题，需要对其进行定型的改性研究。
三、
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了克服有机相变材料光热转换效率低、易泄漏、封装要求高等缺点，提供一种兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜及其制备方法，通过所填充的纳米金的表面等离子体共振效应和相变材料的储热放热特性，使复合相变薄膜兼具光热转换和热能存储与释放的功能，同时实现了对有机相变材料的有效封装，获得了兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜和制备方法。
[0006]本发明解决技术问题采用如下技术方案:
[0007]本发明兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜，其特征在于:所述复合薄膜是以聚乙烯醇为主体材料，填充有用于提供储热放热能力的有机相变材料和提供光热转换能力的光热转换材料；
[0008]在所述复合薄膜中有机相变材料质量占5-40%，余量为聚乙烯醇和光热转换材料；
[0009]所述光热转换材料为纳米金颗粒。
[0010]其中，所述聚乙烯醇为PVA1750±50;所述有机相变材料为脂肪醇。
[0011]优选的，所述脂肪醇为聚乙二醇，所述聚乙二醇优选为PEG1000、PEG2000或PEG6000。
[0012]上述兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜的制备方法，其特点在于包括以下步骤:
[0013]a、纳米金颗粒的制备
[0014]在50mL超纯水中加入1.25mL浓度为0.1M的氯金酸水溶液，搅拌加热至沸腾，再加入750yL质量浓度为10 %的柠檬酸三钠水溶液，继续在95 0C下回流搅拌0.5小时，待溶液变为酒红色，停止搅拌，冷却至室温，获得纳米金颗粒溶液，保存在4°C冰箱中备用；
[0015]b、聚乙烯醇水溶液的制备
[0016]将5g干燥过的聚乙烯醇加入到95g超纯水中，室温(约25°C )下溶胀4小时，然后在95°C下回流加热4小时，得到无色均一透明的质量分数为5%的聚乙烯醇水溶液；
[0017]C、兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜的制备
[0018]取20g步骤b制备的聚乙烯醇水溶液，搅拌下加热至45°C并保持0.5小时，然后按照目标产物中有机相变材料和聚乙烯醇的质量配比，向聚乙烯醇水溶液中加入一定量的有机相变材料水溶液，搅拌2小时后，再加入步骤a制备的纳米金颗粒溶液并混合均匀，得有机相变材料-聚乙烯醇-纳米金复合溶液；
[0019]最后量取有机相变材料-聚乙烯醇-纳米金复合溶液置于任意形状模具中，于50°C烘箱中干燥12小时，再室温干燥72小时，蒸干溶剂，即得兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜。
[0020]本发明的复合薄膜是以聚乙烯醇为主体材料，以痕量具有表面等离子共振功能的金纳米颗粒为光热转换材料，加上具有储热放热能力的有机相变材料自组装而成。在本发明的复合薄膜中，由于直径为30nm左右的纳米金颗粒在530nm附近有良好的吸收，因此选择与纳米金颗粒表面等离子共振(LSPR)波长相匹配的532nm绿光激光作为光源，能够诱导纳米金颗粒产生热效应，实现光热转换过程，同时有机相变材料在光热转换的过程中可以吸收热量进行能量的储存与释放。而聚乙烯醇成膜能够对有机相变材料进行封装，从而很好地防止有机相变材料的泄漏和老化。因此，本发明同时制备出了一种兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜，为热能的高效利用提供良好的材料体系。
[0021]与已有技术相比，本发明的有益效果体现在:
[0022]1、本发明将纳米金颗粒与有机相变材料混合后，利用聚乙烯醇成膜，从而获得兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜。而根据现有技术中D.Keith Roper科研小组在2007年《J.Phys.Chem.C》上的报道，他们单纯采用金纳米球进行光热转换，光热转换效率低，温度变化范围较小。
[0023]2、本发明可以通过使用具有不同碳链长度的聚乙二醇来作为相变材料以获得不同相变温度区间的纳米金复合相变储能薄膜材料。随着聚乙二醇数均分子量从1000增加至6000，由于不同的聚乙二醇具有不同的相变焓和相变温度，复合薄膜材料的储放热能力和储放热温度也随之改变，可满足各使用条件下对不同温度要求的需要。
[0024]3、与传统有机相变材料相比较，本发明兼具光热转换和热能存储与释放功能的复合薄膜还具有良好的韧性和强度，可以通过不同的模具和不同的溶液量得到具有不同形状和厚度的薄膜，还可以任意剪裁成不同的形状，适用于不同的应用环境和器件设计中。
[0025]4、本发明操作简单，原料易得，在一般化学实验室均能制得，易于推广，便于在多领域中的应用。
四、【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例1制备的不同金含量有机相变材料-聚乙烯醇-纳米金复合溶液对应的光学照片，其中所添加金溶液的量从左至右依次为0mL、2mL、6mL、10mL。
[0027]图2是本发明实施例1制备的不同金含量有机相变材料-聚乙烯醇-纳米金复合溶液对应的紫外吸收光谱图，其中所添加金溶液的量从下至上依次为0mL、2mL、6mL、10mL。
[0028]图3是本发明实施例1制备的不同金含量复合薄膜的光学照片，其中所添加金溶液的量从左至右依次为01^、21^、61^、1011^。
[0029]图4是本发明实施例2制备的复合薄膜的防止泄露情况的光学照片，从图中可以看出当温度高于有机相变材料的相变温度时，复合材料形貌没有任何变化，但原始相变材料转变为液体。
[0030]图5是本发明实施例2制备的复合薄膜材料的示差扫描量热(DSC)测试图，从图中可以看出，本实施例的复合薄膜具有很好的吸热