一种生物质基磁响应光热复合材料的制备方法

1.本发明属于表面功能复合材料技术领域，具体涉及一种生物质基磁响应光热复合材料的制备方法。


背景技术：

2.光热转换材料作为一种新的能源利用手段，可以将清洁、可持续的太阳能转换为热能，近些年来引起了人们的广泛关注。然而，大多数光热转换材料因为其制备困难，成本较高，不能满足不同状况下的实际需求，也造成了大量的资源浪费，急需开发出一种制备简单，成本低廉的光热复合材料。此外，在日常生活中，污染物、刮擦、酸碱、冰雪天气等环境会严重降低光热转换效率，也影响了材料的服役性能。因此，急需开一种具有优异耐久性性能的多功能复合材料，对减少资源浪费、实现高效的太阳能利用具有重大意义。
3.li等人通过蒸发诱导自组装、高温氢化还原和高温溶剂热法合成制备了黑色tio2/mos2/cu2s微球。黑色tio2为主体，mos2纳米片和cu2s微球分步生长在黑色tio2上，以形成分级串联异质结。合成的三元异质结有着高效的界面耦合，在可见光照射下表现出3376.7μmol/(h
·
g)的高光催化制氢率。(chemical engineering journal,2022,427:131830)zhang等人将将两性离子聚合物单体、阳离子聚合物单体、交联剂和光热纳米粒子分散在水中,得到前驱体溶液，并引发自由基聚合反应，得到了一种抗菌、抗盐的光热水凝胶。(cn114456308a)然而，这些光热复合材料的制备过程较为复杂，严重限制了其大规模制备和应用。guo等人设计制备出亲疏相间的聚乙烯吡咯烷酮和聚二甲基硅氧烷复合材料，再将其与纳米碳纤维相结合，制备出了具有光热转换性能的涂层。纳米碳纤维能够在太阳光照射下迅速升温，实现主动除冰效果。(chem.eng.j，2020，402，126161)然而，这种光热表面容易被灰尘等污渍所覆盖，这会严重影响光的吸收和转换，降低其光热除冰的性能。
4.为了解决上述材料中存在的问题，开发出了生物质基磁响应光热复合材料。生物质材料是一种绿色无毒、成本低廉的材料，将其碳化后能够获得光热性能优异的碳材料，可以用于高效太阳能吸收。通过在其上负载磁性纳米颗粒，协同增强其光热性能，能够在阳光照射下迅速升温，快速除去表面的冰，实现主动除冰作用。此外，通过材料的磁响应和超疏水性能，可实现表面自清洁、油水分离及磁响应除油性能。同时，刚性粒子的负载能够大大增强材料的耐磨性能，延长该复合材料的服役时间。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种生物质基磁响应光热复合材料的制备方法，以自然界中的纤维素为原料，制备出了一种生物质基的磁响应光热复合材料、并将其应用到超疏水光热复合材料领域，以解决现有材料对于原料有毒有害、不绿色环保、防护种类单一、除冰表面的光热性能会受到污渍影响、以及传统除冰方法成本过高等缺点。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
7.一种生物质基磁响应光热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.步骤1，将纤维素放入铁盐溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，烘箱的温度为40-100℃，烘干的时间为15-200min；
9.步骤2，将负载的纤维素放入管式炉中进行煅烧，得到碳化的纤维素fe3o4@cf，管式炉的温度为400-1000℃，升温速率为1-15℃/min，煅烧的时间为30-200min；
10.步骤3，将碳化的纤维素fe3o4@cf、热固性树脂和固化剂加入到有机溶剂中，超声形成均匀的浆料a，超声波功率为20～150w，超声时间为5-60min；
11.步骤4，将浆料a喷涂或浸涂在基材上，固化后获得生物质基磁响应光热复合材料，固化温度为60-150℃，固化时间为1-24h。
12.所述的步骤1中纤维素为木棉纤维、棉纤维、竹纤维、木头纤维、织物纤维中的一种或多种混合物。
13.所述的步骤1中铁盐为fecl3、fecl2、fe(no3)3、feso4中的一种或多种混合物。
14.所述的步骤3中碳化的纤维素fe3o4@cf在有机溶剂中的浓度为1.0-15mg/ml。
15.所述的步骤3中有机溶剂为丙酮、乙醇、甲苯、乙酸乙酯中的一种或多种混合物。
16.所述的步骤3中的热固性树脂为环氧树脂、硅树脂中的一种或两种混合物。
17.所述的步骤3中热固性树脂和固化剂的质量比为10:1～1:1，热固性树脂和碳化的纤维素fe3o4@cf的质量比为1:1～10:1。
18.所述步骤3中固化剂为环氧树脂固化剂、硅树脂固化剂中的一种或两种混合物。
19.所述步骤4中基材为玻璃、木头、织物、金属、海绵以及塑料等。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.本发明公开了一种生物质基磁响应光热复合材料及其制备方法，该制备方法首先将纤维素放入铁盐溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，然后将负载的纤维素放入管式炉中进行煅烧，得到碳化的纤维素(fe3o4@cf)，最后，将fe3o4@cf、热固性树脂和固化剂加入到有机溶剂中，超声形成均匀的浆料a，并将其喷涂或浸涂在基材上，固化后获得生物质基磁响应光热复合材料。本发明的制备工艺简单，fe3o4@cf与树脂相容性较好，构建出的导热网络有利于材料迅速升温，同时良好的相容性增强了材料的耐磨性能。在1个太阳照射下，通过fe3o4和cf的协同光热效应，60s内材料温度即可迅速上升至92.5℃。此外，材料优异的自清洁性能能够阻止污渍对表面光热性能的影响。超疏水表面的被动防冰性能与fe3o4@cf的主动光热除冰性能相结合，使得材料同时具备了除冰/防冰性能。材料还有着优异的化学稳定性和机械稳定性，在紫外线照射、高温煅烧以及各种耐磨测试后，材料表面依然有着优异的光热性能和超疏水性能，这种优异耐久性能的多功能复合材料制备简单，易于实现工业化，在功能复合材料领域有着很好的应用前景。
22.本发明还公开了一种生物质基磁响应光热复合材料的制备方法，该材料有着优异的防护性能，相比于传统的光热除冰材料，本复合材料将被动防冰性能和主动除冰性能结合起来，通过对清洁绿色的太阳光的吸收，避免了能源的消耗，实现了更加高效的防冰/除冰。此外，磁响应光热复合材料所用的原料安全无毒，制备工艺简单，可大规模制备，易于实现工业化。材料有着优异化学稳定性和机械稳定性，同时，优异的自清洁性能能够阻止污渍对表面光热性能的影响，在功能复合材料领域有着很好的应用前景。
23.本发明通过将在纤维素上原位生长磁性纳米粒子并于热固性树脂混合制备出生
物质基磁响应光热复合材料。纤维素在自然界中广泛存在，获取方式简单，将纤维素碳化后能够获得一种优异的光热复合材料，在其上原位生长磁性纳米粒子，获得的光热复合材料与树脂相容性较好，能够在树脂中均匀分散，易构建出导热网络，有利于热量的快速传递。同时，纳米粒子与碳化纤维素的协同光热作用增强了对光的吸收，增强了材料的主动除冰性能。材料的超疏水性能能够大大延长水滴在表面的结冰时间，使材料获得了被动防冰性能。在1个太阳照射下，由于三维光热网络的存在，材料表面迅速升温，60s内材料温度即可达到92.5℃。在100g法码下进行砂纸磨损实验400个循环后，材料依然保持着优异的超疏水性能和光热性能。除此之外，150w紫外线照射72h和200℃高温煅烧72h后，材料依然保持着优异的超疏水性和光热性能。本发明制备工艺简单，材料有着优异的防护性能，克服了传统除冰材料耐久性能不足的缺点，且所用原料安全无毒，易于实现工业化，具有很好的应用前景。
附图说明
24.图1是本发明制备的材料的接触角和银镜现象；
25.其中，(a)图为接触角照片；(b)图为银镜照片；
26.图2是本发明制备的fe3o4@cf的sem照片；
27.图3是本发明制备的材料在1个太阳下的升温曲线和光热成像照片；
28.其中，(a)图为升温曲线；(b)图为光热成像图片；
29.图4是本发明制备的材料的防结冰和除冰过程照片；
30.图5是本发明制备的材料的磁响应以及磁响应除油过程；
31.图6是本发明制备的材料在100g法码重量下砂纸摩擦实验中的照片和接触角变化曲线以及测试后的光热曲线；
32.其中，(a)图为砂纸磨擦实验中接触角变化；(b)图为测试后的光热曲线；
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明不局限于以下实施例：
34.一种生物质基的磁响应光热复合材料的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：
35.(1)将纤维素放入铁盐溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，烘箱的温度为40-100℃，烘干的时间为15-200min。其中，铁盐为fecl3、fecl2、fe(no3)3、feso4的一种或多种混合物。
36.(2)将的负载的纤维素放入管式炉中煅烧，管式炉的温度为500-1000℃，升温速率为1-15℃/min，煅烧的时间为30-200min，得到碳化的纤维素(fe3o4@cf)。
37.(3)将fe3o4@cf、热固性树脂和固化剂加入到有机溶剂中，超声形成均匀的浆料a。其中fe3o4@cf在有机溶剂中的浓度为1.0-15mg/ml，有机溶剂的量为10-100ml，有机溶剂为丙酮、乙醇、甲苯、乙酸乙酯的一种或多种混合物，树脂为环氧树脂、硅树脂一种或多种混合物，热固性树脂和固化剂的质量比为10:1～1:1，热固性树脂和fe3o4@cf的质量比为1:1～10:1。超声波功率为20～150w，超声时间为5-60min。
38.(3)将浆料a喷涂或浸涂在基材上，固化后获得生物质基磁响应光热复合材料。其中，基材可以是玻璃、木头、织物、金属以及塑料等，喷涂时，喷枪与基材表面呈45-90
°
角度，喷枪距基材表面10-30cm。浸涂时，浸泡时间为5-60min。随后，在60-150℃，固化1-24h后得到生物质基磁响应光热复合材料。
39.实施例1
[0040][0041][0042]
将纤维素放入fecl3溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，烘箱的温度为40℃，烘干的时间为30min。然后将的负载的纤维素放入管式炉中煅烧，管式炉的温度为500℃，升温速率为2℃/min，煅烧的时间为40min，得到碳化的纤维素(fe3o4@cf)。
[0043]
将fe3o4@cf、0.5g硅树脂和0.05g固化剂加入丙酮(15ml)和乙酸乙酯(25ml)的混合液中，超声形成均匀的浆料a。其中fe3o4@cf在有机溶剂中的浓度为1.0-15mg/ml，超声波功率为20w，超声时间为60min。
[0044]
将浆料a浸涂在织物基材上，在100℃下固化1h得到生物质基磁响应光热复合材料。如图1所示，水滴在材料表面呈现球形，有着很大的接触角。将材料浸入水中，可以观察到明显的银镜现象，这表明了涂层有着优异的超疏水性能。
[0045]
实施例2
[0046][0047]
将纤维素放入fecl3溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，烘箱的温度为50℃，烘干的时间为50min。然后将的负载的纤维素放入管式炉中煅烧，管式炉的温度为600℃，升温速率为3℃/min，煅烧的时间为50min，得到碳化的纤维素(fe3o4@cf)。
[0048]
将fe3o4@cf、1g硅树脂和0.1g固化剂加入甲苯(20ml)和丙酮(20ml)的混合液中，超声形成均匀的浆料a。其中fe3o4@cf在有机溶剂中的浓度为4mg/ml，超声波功率为30w，超声时间为50min。
[0049]
将浆料a喷涂在木头基材上，在110℃下固化3h得到生物质基磁响应光热复合材料。如图2所示，碳化纤维素表面布满着均匀的fe3o4纳米粒子。具有磁性的fe3o4纳米粒子有着优异的近红外光响应性能，与碳化的纤维素相互协同，赋予了材料优异的光热性能。
[0050]
实施例3
[0051][0052]
将将纤维素放入fe(no3)3溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，烘箱的温度为60℃，烘干的时间为80min。然后将的负载的纤维素放入管式炉中煅烧，管式炉的温度为700℃，升温速率为5℃/min，煅烧的时间为60min，得到碳化的纤维素(fe3o4@cf)。
[0053]
将fe3o4@cf、1.5g环氧树脂和0.5g固化剂加入甲苯(15ml)和乙酸乙酯(25ml)的混合液中，超声形成均匀的浆料a。其中fe3o4@cf在有机溶剂中的浓度为6mg/ml，超声波功率为40w，超声时间为40min。
[0054]
将浆料a喷涂在塑料基材上，在120℃下固化6h得到生物质基磁响应光热复合材料。如图3所示，对制得的材料进行了光热性能的测试。可以看到，在1个太阳下，材料温度迅速升高，在60s内很快升至92.5℃。优异的光热性能为光热除冰提供了前提条件。
[0055]
实施例4
[0056][0057]
将将纤维素放入feso4溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，烘箱的温度为70℃，烘干的时间为100min。然后将的负载的纤维素放入管式炉中煅烧，管式炉的温度为800℃，升温速率为10℃/min，煅烧的时间为80min，得到碳化的纤维素(fe3o4@cf)。
[0058]
将fe3o4@cf、2g环氧树脂和0.5g固化剂加入丙酮(20ml)和乙酸乙酯(20ml)的混合液中，超声形成均匀的浆料a。其中fe3o4@cf在有机溶剂中的浓度为8mg/ml，超声波功率为50w，超声时间为30min。
[0059]
将浆料a喷涂在铁片基材上，在130℃下固化4h得到生物质基磁响应光热复合材料。如图4所示，对制得的材料进行防结冰和光热除冰性能测试，在-20℃下，在裸露玻璃片和喷涂有光热复合材料的玻璃片上滴上水滴，裸露玻璃片上的水滴在72s时已经完全结冰，而在喷涂有光热复合材料的玻璃片上，水滴直到420s时才完全结冰。此外，在光热除冰测试中，在1个太阳照射下，3mm厚的冰层快速融化在12min内完全消失，不需外界消耗外界能源即可实现除冰，表现出了优异的除冰性能。
[0060]
实施例5
[0061][0062][0063]
将将纤维素放入fecl3和feso4混合溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，烘箱的温度为80℃，烘干的时间为120min。然后将的负载的纤维素放入管式炉中煅烧，管式炉的温度为500℃，升温速率为5℃/min，煅烧的时间为100min，得到碳化的纤维素(fe3o4@cf)。
[0064]
将fe3o4@cf、2.5g环氧树脂和0.5g固化剂加入乙醇(10ml)和乙酸乙酯(30ml)的混合液中，超声形成均匀的浆料a。其中fe3o4@cf在有机溶剂中的浓度为9mg/ml，超声波功率为60w，超声时间为30min。
[0065]
将浆料a浸涂在海绵基材上，在110℃下固化6h得到生物质基磁响应光热复合材料。如图5和图6所示，对制得的材料进行了磁响应和机械稳定性测试，材料在磁铁的磁力作用下能够轻松除去漂浮在水面上的油渍。此外，在100g法码重量下下，采用砂纸摩擦400个循环后，涂层依然保持着优秀的疏水性能和光热性能。这说明了制备的材料有着多功能化以及优异的耐久性能。
[0066]
实施例6
[0067]
将将纤维素放入fecl2和feso4混合溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，烘箱的温度为90℃，烘干的时间为100min。然后将的负载的纤维素放入管式炉中煅烧，管式炉的温度为900℃，升温速率为2℃/min，煅烧的时间为120min，得到碳化的纤维素(fe3o4@cf)。
[0068]
将fe3o4@cf、3g硅树脂和1g固化剂加入丙酮(30ml)和乙酸乙酯(10ml)的混合液中，超声形成均匀的浆料a。其中fe3o4@cf在有机溶剂中的浓度为10mg/ml，超声波功率为80w，超声时间为50min。
[0069]
将浆料a喷涂在铁片基材上，在100℃下固化10h得到生物质基磁响应光热复合材料。
[0070]
实施例7
[0071]
将将纤维素放入fe(no3)3和feso4混合溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，烘箱的温度为100℃，烘干的时间为50min。然后将的负载的纤维素放入管式炉中煅烧，管式炉的温度为1000℃，升温速率为10℃/min，煅烧的时间为30min，得到碳化的纤维素(fe3o4@cf)。
[0072]
将fe3o4@cf、2.5g硅树脂和0.25g固化剂加入丙酮(25ml)和乙醇(15ml)的混合液中，超声形成均匀的浆料a。其中fe3o4@cf在有机溶剂中的浓度为15mg/ml，超声波功率为100w，超声时间为30min。
[0073]
将浆料a喷涂在铁片基材上，在130℃下固化16h得到生物质基磁响应光热复合材料。
[0074]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种生物质基磁响应光热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将纤维素放入铁盐溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，烘箱的温度为40-100℃，烘干的时间为15-200min；步骤2，将负载的纤维素放入管式炉中进行煅烧，得到碳化的纤维素fe3o4@cf，管式炉的温度为400-1000℃，升温速率为1-15℃/min，煅烧的时间为30-200min；步骤3，将碳化的纤维素fe3o4@cf、热固性树脂和固化剂加入到有机溶剂中，超声形成均匀的浆料a，超声波功率为20~150 w，超声时间为5-60min；步骤4，将浆料a喷涂或浸涂在基材上，固化后获得生物质基磁响应光热复合材料，固化温度为60-150℃，固化时间为1-24h。2.根据权利要求1所述的一种生物质基的磁响应光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中纤维素为木棉纤维、棉纤维、竹纤维、木头纤维、织物纤维中的一种或多种混合物。3.根据权利要求1所述的一种生物质基的磁响应光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中铁盐为fecl3、fecl2、fe(no3)3、feso4中的一种或多种混合物。4.根据权利要求1所述的一种生物质基的磁响应光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中碳化的纤维素fe3o4@cf在有机溶剂中的浓度为1.0-15 mg/ml。5.根据权利要求1所述的一种生物质基的磁响应光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中有机溶剂为丙酮、乙醇、甲苯、乙酸乙酯中的一种或多种混合物。6.根据权利要求1所述的一种生物质基的磁响应光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中的热固性树脂为环氧树脂、硅树脂中的一种或两种混合物。7.根据权利要求1所述的一种生物质基的磁响应光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中热固性树脂和固化剂的质量比为10:1~1:1，热固性树脂和碳化的纤维素fe3o4@cf的质量比为1:1~10:1。8.根据权利要求1所述的一种生物质基的磁响应光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中固化剂为环氧树脂固化剂、硅树脂固化剂中的一种或两种混合物。9.根据权利要求1所述的一种生物质基的磁响应光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中基材为玻璃、木头、织物、金属、海绵以及塑料等。

技术总结
一种生物质基的磁响应光热复合材料的制备方法，该制备方法首先将纤维素放入铁盐溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘干得到负载的纤维素，然后将负载的纤维素放入管式炉中进行煅烧，得到碳化的纤维素（Fe3O4@CF），最后，将Fe3O4@CF、热固性树脂和固化剂加入到有机溶剂中，并将其喷涂或浸涂在基材上，固化后获得生物质基磁响应光热复合材料。本发明的制备工艺简单，Fe3O4@CF与树脂相容性较好，构建出的导热网络有利于材料迅速升温，同时良好的相容性增强了材料的耐磨性能。通过Fe3O4和CF的协同光热效应，材料温度即可迅速上升至。材料还有着优异的化学稳定性和机械稳定性，在功能复合材料领域有着很好的应用前景。材料领域有着很好的应用前景。


技术研发人员：李永 李浩 吴君 宋浩杰 杨进 贾晓华 冯雷 牛子怡
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/13