一种乙基纤维素基相变有机凝胶及其制备方法和应用与流程

本发明属于新材料，具体涉及一种乙基纤维素基相变有机凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着全球能源危机的加剧和节能减排需求的日益迫切，由可再生能源间歇性、建筑能耗高及电子设备热管理困难等引发的热能供需失衡问题日益凸显，对可持续发展和生态环境构成了严峻挑战。相变材料，特别是固-液相变材料，因其在相变过程中能够吸收或释放大量潜热且温度近似恒定，被认为是实现热能高效存储与温度智能调控的一种极具前景的技术。然而，目前常用的固-液相变材料，如聚乙二醇，普遍面临熔融态易泄漏、形状稳定性差、与基体相容性不佳以及长期循环后性能衰减等问题。因此，开发一种兼具高相变焓保持率、优异形状稳定性、良好热循环性能及环境友好性的新型定形相变材料，对于推动相变储能技术的实用化进程具有重大的现实意义和战略价值。

2、有机凝胶，作为一种由聚合物或低分子量凝胶因子通过自组装形成三维网络结构并将液态油相束缚于其中的粘弹性软固体材料，因其具有较高的油结合能力、可调控的微观结构及良好的相容性，在相变材料定形封装领域展现出独特的优势。理论上，有机凝胶内部的三维网络可以通过物理缠结、毛细管吸附及氢键作用等多重机制将熔融态相变材料稳定地截留于网络微区中，实现从固-液相变到固-固（或固-凝胶）相变的转变，从而有效防止泄漏。然而，单一组分的有机凝胶体系，特别是纯乙基纤维素基有机凝胶，存在机械强度不足、长期热循环稳定性差及相变焓损失大等固有缺陷，极大地限制了其在相变储能领域的实际应用。

3、乙基纤维素作为纤维素的重要衍生物，具有生物相容性好、可生物降解、成膜性优异及化学稳定性高等突出优点。以乙基纤维素为基体制备的有机凝胶，继承了有机凝胶材料的共性优点（如三维网络束缚能力、高油结合容量），同时又具备生物基材料的绿色环保特性，被认为是下一代高效定形相变材料的理想选择。然而，其仍存在热循环过程中网络结构易塌陷的问题。此外，现有乙基纤维素基相变复合材料在制备过程中往往涉及复杂的化学改性或苛刻的工艺条件。因此，开发一种制备工艺简单且可循环使用的新型乙基纤维素基相变有机凝胶，对于解决日益严峻的能源存储与热管理问题具有重大的现实意义。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种乙基纤维素基相变有机凝胶及其制备方法和应用，该相变有机凝胶具有简单的制备工艺，无需复杂设备及高能耗，且该材料具有良好的储热性能、循环性能及绿色环保等特性，使其很好的应用于热管理领域。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种乙基纤维素基相变有机凝胶，包括以下重量百分数的组分：聚乙二醇60~70wt%，乙基纤维素15~20wt%，疏水性气相二氧化硅12~15wt%，强度增强剂3~5wt%。

3、本发明的有益效果为：体系中乙基纤维素的羟基、强度增强剂表面的羟基/羧基，可与聚乙二醇的醚氧基、羟基形成大量分子间氢键，同时疏水性气相二氧化硅表面残留的硅羟基也能参与氢键缔合，三者共同搭建起连续稳定的三维交联网络骨架，该过程无需额外化学交联剂，完全依靠非共价的氢键作用与分子链缠结完成物理交联，即保留了乙基纤维素等天然生物材料的可降解属性，避免了化学交联剂残留带来的环境负担，又通过强度增强剂的刚性结构，在网络中起到的支撑作用，让氢键交联网络可均匀分散外力，有效弥补了纯乙基纤维素骨架力学强度不足以及热循环过程中网络易塌陷的问题，同时，该致密稳定的氢键网络可牢牢包覆相变组分聚乙二醇，抑制反复热循环过程中相变介质的泄露流失，大幅降低相变焓损失，最终在赋予材料优异机械性能与绿色环保特性的同时，显著提升其长期热循环稳定性，满足热管理领域的需求。

4、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

5、进一步，一种乙基纤维素基相变有机凝胶，包括以下重量百分数的组分：聚乙二醇70wt%，乙基纤维素15wt%，疏水性气相二氧化硅12wt%，强度增强剂3wt%。

6、进一步，强度增强剂为纤维素纳米晶和/或羧基化纤维素纳米晶。

7、进一步，聚乙二醇为聚乙二醇1000、聚乙二醇2000和聚乙二醇3400中的至少一种。

8、上述乙基纤维素基相变有机凝胶的制备方法，包括以下步骤：

9、将乙基纤维素溶于溶剂中，向其中加入疏水性气相二氧化硅和强度增强剂，搅拌至均匀分散，再加入聚乙二醇，继续搅拌至均匀分散，最后将所得溶液在常温常压下干燥至恒重，制得。更具体为：将乙基纤维素溶于溶剂中，向其中加入疏水性气相二氧化硅，搅拌至均匀分散，接着加入强度增强剂，搅拌至均匀分散，再加入聚乙二醇，继续搅拌至均匀分散，然后将所得溶液置于模具中，在常温常压下干燥至恒重，制得。

10、本发明的有益效果为：本发明制备方法在常温常压下进行，不同于冷冻干燥靠溶剂升华规避液态表面张力，也不同于真空干燥靠负压加速溶剂挥发的路径，本发明体系在干燥前的搅拌阶段，各组分已通过大量分子间氢键形成了具备一定结构刚性的三维物理网络骨架，溶剂蒸发过程中孔隙内产生的毛细管作用力，可被预先搭建的氢键交联网络均匀分散抵消，避免了纯乙基纤维素凝胶在常温常压干燥时易出现的骨架严重收缩、破裂问题，无需特殊干燥条件即可完整保留凝胶的多空间网络结构，最终在常温常压环境下直接得到结构完整、孔隙分布均匀的乙基纤维素基相变有机凝胶，大幅简化制备流程，降低工艺成本。

11、进一步，溶剂为叔丁醇。

12、上述乙基纤维素基相变有机凝胶在油污吸附中的应用。

13、本发明所用成分乙基纤维素和聚乙二醇均为亲油疏水组分，因此，最终制得的材料可用于油污吸附中。

14、上述乙基纤维素基相变有机凝胶在制备热管理相变材料中的应用。

15、本发明具有以下有益效果：

16、本发明基于乙基纤维素、疏水性二氧化硅及纤维素纳米晶三者之间所形成的氢键交联网络可为凝胶提供机械强度这一特性；利用乙基纤维素及纤维素纳米晶自身可降解的特性提升了复合凝胶的环保性能，从而构建了一种兼具良好机械性能且绿色环保的生物质基复合凝胶，以满足其在油污吸附领域中的应用。

17、本发明通过一步成型法制得的凝胶可为片状，其材料优于粉末或颗粒状材料。通过测试乙基纤维素基相变有机凝胶的储热性能，结果表明，该材料的相变焓值高达130.5j/g，这证明了本发明的相变有机凝胶材料的优越性，具有较大的应用于热管理领域的潜力。

1.一种乙基纤维素基相变有机凝胶，其特征在于，包括以下重量百分数的组分：聚乙二醇60~70wt%，乙基纤维素15~20wt%，疏水性气相二氧化硅12~15wt%，强度增强剂3~5wt%。

2.根据权利要求1所述的乙基纤维素基相变有机凝胶，其特征在于，包括以下重量百分数的组分：聚乙二醇70wt%，乙基纤维素15wt%，疏水性气相二氧化硅12wt%，强度增强剂3wt%。

3.根据权利要求1或2所述的乙基纤维素基相变有机凝胶，其特征在于，强度增强剂为纤维素纳米晶和/或羧基化纤维素纳米晶。

4.根据权利要求1或2所述的乙基纤维素基相变有机凝胶，其特征在于，聚乙二醇为聚乙二醇1000、聚乙二醇2000和聚乙二醇3400中的至少一种。

5.权利要求1~4任一项所述的乙基纤维素基相变有机凝胶的制备方法，其特征在于，将乙基纤维素溶于溶剂中，向其中加入疏水性气相二氧化硅和强度增强剂，搅拌至均匀分散，再加入聚乙二醇，继续搅拌至均匀分散，最后将所得溶液在常温常压下干燥至恒重，制得。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，将乙基纤维素溶于溶剂中，向其中加入疏水性气相二氧化硅，搅拌至均匀分散，接着加入强度增强剂，搅拌至均匀分散，再加入聚乙二醇，继续搅拌至均匀分散，然后将所得溶液置于模具中，在常温常压下干燥至恒重，制得。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，溶剂为叔丁醇。

8.权利要求1~4任一项所述的乙基纤维素基相变有机凝胶在油污吸附中的应用。

9.权利要求1~4任一项所述的乙基纤维素基相变有机凝胶在制备热管理相变材料中的应用。