基于液态金属-高分子的光热复合材料、其制备方法与用途
文献发布时间：2023-06-19 19:28:50
技术领域
本发明具体涉及一种基于液态金属-高分子的光热复合材料、其制备与用途，属于光热转换复合材料领域，用于调节温度、光能收集与转换的应用等方面。
背景技术
太阳能作为世界上最丰富的可再生能源，在不产生其他污染物质的情况下，能够采取有效措施将太阳能转换成热能、电能等二次能源并充分利用是当今世界极为重视的研究方向之一。光热复合材料的作用是将光能转化成热能，通过多波段吸收太阳光宽光谱（短波紫外、近红外、可见光区域），实现高光热转换效率。
光热复合材料中通常会包含能够进行光热转化的固体材料，其工作机理分别是等离子共振、非辐射弛豫、分子热运动，材料的颜色以黑色较为普遍，材料的种类有共轭聚合物、金属、碳基材料、半导体材料等。光热复合材料一般是由基体和固体材料作为主要成分，通过将固体材料制成流体分散在基体中，实现功能化应用。通常，固体材料与基体在混合过程中，需要考虑到两者之间相容性问题，不相容的材料会产生孔洞、裂纹和气泡等缺陷，从而影响材料性能；解决两者掺杂性问题可以通过将固体材料加工成纳米、微米级流体来提高固体材料的分散程度，但成本高、工艺复杂。
发明内容
本发明提供一种基于液态金属-高分子的光热复合材料，使其可以利用液态金属常温下具有流动性的特点，均匀分散于多种塑料基体当中，使塑料机体获得较高的光热转化率，应用于光热复合材料领域。
为此，本发明采用的技术方案为：一种基于液态金属-高分子的光热复合材料，所述光热复合材料的原料包括液态金属、塑料基体和助剂，所述液态金属、塑料基体和助剂的质量比为10：（2-12.5）：（1-5）；液态金属为镓基合金，粒径大小为1-30微米，在液态金属中，镓的质量分数为50-70%。所述塑料基体为聚氨酯、聚乳酸、丙烯酸树脂、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜中的一种或多种热塑性树脂。所述助剂包括弹性橡胶、碳纤维、三氟甲基、聚烯烃、硅烷偶联剂中的一种或多种。助剂起改性作用，其中弹性橡胶、碳纤维、聚烯烃主要起到增韧作用，三氟甲基用于提高树脂的热稳定性，硅烷偶联剂用于改善相容性。
上述一种基于液态金属-高分子的光热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）将塑料基体聚氨酯、聚乳酸、丙烯酸树脂、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜中的一种或多种与助剂、液态金属按比例在120-400℃下熔融混合20min-40min形成共混物；所述助剂为弹性橡胶、碳纤维、三氟甲基、聚烯烃、硅烷偶联剂中的一种或多种；所述液态金属、塑料基体和助剂的质量比为10：（2-12.5）：（1-5）；液 态金属为镓基合金，粒径大小为1-30微米，在液态金属中，镓的质量分数为50-70%；
2）将共混物放入热压机的模具中热压成型为片材，热压机加热至共混物熔融、加压4-7MPa，热压时间为20-60min；片材厚度为0.01mm-1mm；
3）降温冷却到100℃以下，0.5-3MPa下维持5-20min后，再卸压脱模；
4）裁切得到光热复合材料。
本发明的有益效果在于：由此得到的基于液态金属-高分子的光热复合材料，能完美贴附在介质上，随之变形。其中，塑料基体选用热塑性树脂，有良好的可塑性、耐候性、机械性能，能够重复利用，具有可持续优势。常温下，液态金属以小液滴的形式存在，具有流动性，能够适应塑料基体中的微观裂纹和空穴并以网络形式连接，从而进一步形成完整的吸光体系。区别于传统固体材料，液态金属主要成分为低熔点镓，常温下具有流动性，易加工分散成小液滴，在基体中具有优异的掺杂性，混入蓄热材料中不易分相、产生裂纹，且成本低、工艺简单、效率高、无毒。以液态金属与热塑性塑料基体制备的环境友好型光热复合材料，可将转化的热量传递给其他介质。该复合材料可用于光热转换，可用于采暖、保温、蓄热等工作场所。
具体实施方式
本发明实施方式中的一种基于液态金属-高分子的光热复合材料，使用的原料包括热塑性树脂、改性剂与液态金属，其中热塑性树脂包括聚氨酯、聚乳酸、丙烯酸树脂、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜中的一种或多种，液态金属为镓基合金，粒子大小为1-30微米，液态金属中，镓的质量分数为50-70%，整个过程需要在120-400℃下熔融并压制成型。
其中的液态金属为镓基合金，除含有镓外，还含有铟、锡、锌、铋、镉、镝、铝、银、铜、铁、锂、铂、锑、钯、铬、镍中一种或多种元素的合金颗粒。当镓的质量分数为50-70%时，常温下，液态金属以小液滴的形式存在，其流动性好，能够适应塑料基体中的微观裂纹和空穴并以网络形式连接，从而进一步形成完整的吸光体系。
本发明实施方式中的测试方法为：模拟太阳光辐射样品表面，记录50min内升温过程的温度变化以及停止太阳辐射后30min内降温过程的温度变化，并通过紫外-可见吸收光谱和红外吸收光谱的反射率获得不同样品的光热转化效率。下面通过具体实施例对本发明进行进一步说明，其中原料组分按质量用量计。
实施例1
一种基于液态金属-高分子的光热复合材料的制备方法，具体步骤如下：
将100份聚酰亚胺、8份三氟甲基、30份碳纤维、1份硅烷偶联剂与80份液态金属在250-400℃下熔融混合30min形成共混物；在液态金属中，镓的质量分数为70%。
2）将共混物放入热压机模具中加热250-400℃、加压7MPa，30min；
3）降温冷却到100℃以下，0.5-3MPa下保持5-20min，再卸压脱模；
4）裁切得到光热复合材料。
实施例2-5
实施例2-5与实施例1的步骤相同，其中液态金属中，镓的质量分数由70wt%变为40wt%（实施例2）、50wt%（实施例3）、60wt%（实施例4）以及80wt%（实施例5）。
上述实验所得光热复合材料，在保证厚度与面积一定的情况下，性能如下表1，当质量分数超过70wt%时，光热转化率增幅不大；当质量分数低于50wt%时，光热转化率偏低，所以当液态金属中镓的质量分数为50-70wt%时，光热转化性能较佳。
表1：不同比例的液态金属对光热性能的影响
实施例6
一种基于液态金属-高分子的光热复合材料，具体步骤如下：
步骤一，将100份聚氨酯、25份聚乳酸、5份三氟甲基、30份弹性橡胶、14份碳纤维、1份硅烷偶联剂与100份镓含量60wt%的镓基液态金属在120-200℃下熔融混合30min形成共混物；
步骤二，将共混物放入热压机模具中（模具型腔厚度为0.1mm），加热120-200℃、加压7MPa，30min；压制成厚度0.1mm的片材；
步骤三，降温冷却到100℃以下，0.5-3MPa下保持5-20min，再卸压脱模；裁切得到光热复合材料。
实施例7
一种基于液态金属-高分子的光热复合材料，具体步骤如下：
将50份聚乳酸、20丙烯酸树脂、30份聚醚醚酮、5份三氟甲基、4份聚烯烃、1份硅烷偶联剂与100份镓含量60wt%的镓基液态金属在180-250℃下熔融混合30min形成共混物；
2）将共混物放入热压机模具中（模具型腔厚度为0.1mm），加热250-400℃、加压7MPa，30min；压制成厚度0.1mm的片材；
3）降温冷却到100℃以下，0.5-3MPa下保持5-20min，再卸压脱模；
4）裁切得到光热复合材料。
实施例8
一种基于液态金属-高分子的光热复合材料，具体步骤如下：
将100份丙烯酸树脂、20份弹性橡胶、1份硅烷偶联剂与100份镓含量60wt%的镓基液态金属在120-200℃下熔融混合30min形成共混物；
2）将共混物放入热压机模具中，加热120-200℃、加压7MPa，30min；
3）降温冷却到100℃以下，0.5-3MPa下保持5-20min，再卸压脱模；
4）裁切得到光热复合材料。
实施例9
一种基于液态金属-高分子的光热复合材料，具体步骤如下：
将50份聚醚醚酮、50份聚酰亚胺、15份弹性橡胶、5份三氟甲基、10份聚烯烃、1份硅烷偶联剂与100份镓含量60wt%的镓基液态金属在200-350℃下熔融混合40min形成共混物；
2）将共混物放入热压机模具中，加热200-350℃、加压7MPa，60min；压制成厚度0.1mm的片材；
3）降温冷却到100℃以下，0.5-3MPa下保持5-20min，再卸压脱模；
4）裁切得到光热复合材料。
实施例10
一种基于液态金属-高分子的光热复合材料，具体步骤如下：
将100份聚苯硫醚、15份碳纤维、2份硅烷偶联剂与100份镓含量60wt%的镓基液态金属在250-350℃下熔融混合40min形成共混物；
2）将共混物放入热压机模具中，加热250-350℃、加压4MPa，20min；压制成厚度0.1mm的片材；
3）降温冷却到100℃以下，0.5-3MPa下保持5-20min，再卸压脱模；
4）裁切得到光热复合材料。
实施例11
一种基于液态金属-高分子的光热复合材料，具体步骤如下：
将20份聚醚砜、15份碳纤维、10份三氟甲基、9份聚烯烃、1份硅烷偶联剂与100份镓含量60wt%的镓基液态金属在160-200℃下熔融混合40min形成共混物；
2）将共混物放入热压机模具中，加热160-200℃、加压4MPa，20min；压制成厚度0.1mm的片材；
3）降温冷却到100℃以下，0.5-3MPa下保持5-20min，再卸压脱模；
4）裁切得到光热复合材料。
上述实验所得光热复合材料，性能如下表2，更换不同塑料基体对液态金属的光热转化性能影响不大，可根据应用环境的不同选择适合的塑料基体。
表2：不同塑料基体对光热性能的影响
上述复合材料可用于光热转换。可用于采暖、保温、蓄热等工作场所。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，以液态金属为光热材料，结合热塑性塑料基体制备环境友好型光热复合材料是本发明特有的技术思想，本领域技术人员可在不脱离该技术思想的前提下，在本发明技术范围内进行变形和修改，均在本发明的保护范围内。