一种水分诱导的柔性自愈合相变控温材料及其制备和应用

技术领域

本发明涉及一种水分诱导的柔性自愈合相变控温材料及其制备方法。

背景技术

新能源的开发利用和能源效率的提高已成为各国研究和开发的重点。利用相变材料平衡能源供需，可以有效提高能源效率，达到节能环保的目的。它在能源、航天、建筑、农业、化工等领域有着广阔的应用前景。已经成为世界范围内的研究热点。

相变材料在相变的过程中会吸收或释放大量潜热，具有储热密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点，因此广泛应用于能量储存和温度控制领域。然而相变材料在使用过程中存在泄露的问题，为解决这一问题，提出来许多方法制备形状稳定的复合相变材料：多孔材料吸附，微胶囊包覆，聚合物支撑等。然而这些复合相变材料都没有自愈合性，不能够再次利用从而造成资源的浪费。市面上具有自愈合性质的复合相变材料，愈合所需较高的温度，相变焓小，稳定性低，制备工序复杂，不便于大量生产，生产效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水分诱导的柔性自愈合相变控温材料，以解决上述背景技术中提出的问题。

合成水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料包括以下步骤：

首先将聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮各自至于三口烧瓶中，加入去离子水，再将圆底烧瓶放入油浴锅中加热到40-100℃持续2-8小时，使之完全溶解在去离子水中。将溶质质量比为1:0.2-1:0.6之间的聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮溶液至于三口圆底烧瓶中，再将圆底烧瓶放入油浴锅中加热到 40-100℃持续2-8小时，不断搅拌，之后加入与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:1-1:3的赤藓糖醇和/或聚乙二醇，继续搅拌2-8小时，待反应结束后，将得到的混合物置于表面皿中，之后置于60-80℃烘箱中2-10小时，最终得到白色薄膜，即为水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料。

进一步地，1g聚乙烯醇溶解在10ml去离子水中，所述反应温度为90℃，反应时间为6小时。

进一步地，0.2-0.6g聚乙烯吡咯烷酮溶解在10ml去离子水中，所述反应温度为80℃，反应时间为2小时。

进一步地，所述步骤中聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮溶质质量比为1:0.2，所述反应温度为80℃，反应时间为2小时。

进一步地，所述步骤中赤藓糖醇或聚乙二醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮与的质量比为2:1，所述反应温度为80℃，反应时间为2小时。

进一步地，所述步骤中产物在80℃烘箱中干燥8小时。

进一步地，所述水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料为白色薄膜。

该方法以赤藓糖醇或聚乙二醇为相变材料，聚乙烯醇-聚乙烯吡咯烷酮为支撑载体，通过物理共混合成一种水分诱导的柔性自愈合相变控温材料。本方法合成的自愈合相变材料具有愈合性，相变潜热高，冷结晶，制备工艺简单和良好的热稳定性等优点。冷结晶是在降温的过程中不放热，加热的过程结晶放热的现象，该现象能够更好的控制能量的储存释放。另外修复过程简单方便，只需在破损处滴加水即可完成愈合，或者在高湿度的环境下如85％湿度也可自愈合，具有多种灵活的自愈合方式，能够更好的适应复杂配置场景下的控温储能。

附图说明

图1为水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料的差示扫描量热曲线(以赤藓糖醇为相变材料，聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.6，赤藓糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:1)。

图2为水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料的差示扫描量热曲线(以赤藓糖醇为相变材料，聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.4，赤藓糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:1)。

图3为水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料的差示扫描量热曲线(以赤藓糖醇为相变材料，聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.2，赤藓糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:1)。

图4为水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料的差示扫描量热曲线(以赤藓糖醇为相变材料，聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.2，赤藓糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2:1)。

图5为水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料的滴水修复过程图片(以赤藓糖醇为相变材料，聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.2，赤藓糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2:1)。

图6为水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料的热重曲线(以赤藓糖醇为相变材料，聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.2，赤藓糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2:1)。

图7为水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料的柔性展示图片(以赤藓糖醇为相变材料，聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.2，赤藓糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2:1)。

具体实施方式

实施例1

(1)取1g聚乙烯醇(分子量为120000)置于三口烧瓶中，加入10ml 去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到90℃，匀速搅拌持续6小时。

(2)取0.6g聚乙烯吡咯烷酮(分子量为90000)置于三口烧瓶中，加入10ml去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌持续 2小时。

(3)待反应结束后，将(1)和(2)产物倒入到三口烧瓶中，再取1.6g 赤藓糖醇放入三口烧瓶中，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌2小时。

(4)将(3)得到的产物放入到表面皿中，之后置于80℃的烘箱中干燥2小时，最终得到聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.6，赤藓糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:1的自愈合相变薄膜。

制备的自愈合相变材料为白色薄膜，差式扫描量热曲线如图1所示，经拟合熔融温度为100.3℃，熔融焓为62.8J/g。

实施例2

(1)取1g聚乙烯醇(分子量为120000)置于三口烧瓶中，加入10ml 去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到90℃，匀速搅拌持续6小时。

(2)取0.4g聚乙烯吡咯烷酮(分子量为90000)置于三口烧瓶中，加入10ml去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌持续2小时。

(3)待反应结束后，将(1)和(2)产物倒入到三口烧瓶中，再取1.4g 赤藓糖醇放入三口烧瓶中，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌2小时。

(4)将(3)得到的产物放入到表面皿中，之后置于80℃的烘箱中干燥2小时，最终得到聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.4，赤藓糖糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:1的自愈合相变薄膜。

制备的自愈合相变材料为白色薄膜，差式扫描量热曲线如图2所示，经拟合熔融温度为96.8℃，熔融焓为66.0J/g。

实施例3

(1)取1g聚乙烯醇(分子量为120000)置于三口烧瓶中，加入10ml 去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到90℃，匀速搅拌持续6小时。

(2)取0.2g聚乙烯吡咯烷酮(分子量为90000)置于三口烧瓶中，加入10ml去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌持续 2小时。

(3)待反应结束后，将(1)和(2)产物倒入到三口烧瓶中，再取1.2g 赤藓糖醇放入三口烧瓶中，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌2小时。

(4)将(3)得到的产物放入到表面皿中，之后置于80℃的烘箱中干燥2小时，最终得到聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.2，赤藓糖糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:1的自愈合相变薄膜。

制备的自愈合相变材料为白色薄膜，差式扫描量热曲线如图3所示，经拟合熔融温度为89.7℃，熔融焓为93.7J/g。

实施例4

(1)取1g聚乙烯醇(分子量为120000)置于三口烧瓶中，加入10ml 去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到90℃，匀速搅拌持续6小时。

(2)取0.2g聚乙烯吡咯烷酮(分子量为90000)置于三口烧瓶中，加入10ml去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌持续 2小时。

(3)待反应结束后，将(1)和(2)产物倒入到三口烧瓶中，再取2.4g 赤藓糖醇放入三口烧瓶中，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌2小时。

(4)将(3)得到的产物放入到表面皿中，之后置于80℃的烘箱中干燥2小时，最终得到聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.2，赤藓糖糖醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2:1的自愈合相变薄膜。

制备的自愈合相变材料为白色薄膜，差式扫描量热曲线如图4所示，经拟合熔融温度为98.7℃，熔融焓为191.5J/g。

实施例5

(1)取1g聚乙烯醇(分子量为120000)置于三口烧瓶中，加入10ml 去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到90℃，匀速搅拌持续6小时。

(2)取0.2g聚乙烯吡咯烷酮(分子量为90000)置于三口烧瓶中，加入10ml去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌持续 2小时。

(3)待反应结束后，将(1)和(2)产物倒入到三口烧瓶中，再取2.4g 聚乙二醇(分子量为1000)放入三口烧瓶中，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌2小时。

(4)将(3)得到的产物放入到表面皿中，之后置于80℃的烘箱中干燥2小时，最终得到聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.2，聚乙二醇与聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2:1的自愈合相变薄膜。

实施例6

(1)取0.6g聚乙烯吡咯烷酮(分子量为90000)置于三口烧瓶中，加入10ml去离子水，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌持续 2小时。

(2)待反应结束后，取2.4g赤藓糖醇放入三口烧瓶中，再将三口烧瓶放入油浴锅中加热到80℃，匀速搅拌2小时。

(3)将(2)得到的产物放入到表面皿中，之后置于80℃的烘箱中干燥2小时，干燥后的产物不成膜不能保持稳定的形状。

本发明的水分子诱导的自愈合相变控温材料为薄膜状物质。相变焓值最高为191.5J/g。图5为实施例4愈合的微观，宏观过程和愈合机理。将两块相同大小的长方形相变薄膜，分别用颜料染成红蓝两个颜色。之后将两个红蓝两色复合材料端口靠近，在它们相贴接的端口间的缝隙中滴加水(从它们相贴接的端口处的上方向端口处滴加水)，之后将其置于自然环境条件下(35％相对湿度，20℃)进行愈合，5min后两块红蓝复合材料愈合成为一个整体。宏观图像可以看出红蓝两色复合材料连接到一起。为了更好的观察愈合的过程，用显微分析仪进行观察，发现红蓝两色的样品逐渐的接触在一起，待水蒸发之后完全的连接在一起，缝隙几乎完全消失。愈合的机理是因为氢键的引入使得复合相变材料具有愈合特性，加入水会破坏复合材料中的的氢键，从而提高复合材料在接口表面的迁移率。由于网络中密度梯度的驱动，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，赤藓糖醇，会迁移接口的表面之间的空隙中。随着愈合处区域的水分蒸发，-OH与-OH和-C＝O之间会重新形成氢键。

图6为实施例4的热重曲线，在氮气氛围下，从室温起按10℃/min升温速率测得，经分析复合材料起始分解温度为276.8℃，远高于其相变温度区间，相变薄膜表现出良好的热稳定性。

图7为实施例4的柔性展示图片，相变薄膜能够折叠并弯折，说明该材料具有良好的柔性。

以上结果表明本发明的水分子诱导的柔性自愈合相变控温材料在新一代的热管理技术的发展中具有广阔的应用前景。