一种可喷涂的太阳光热转换功能凝胶及其制备方法和应用

1.本发明涉及太阳光热转换功能凝胶的制备领域，具体涉及一种可喷涂的太阳光热转换功能凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

2.太阳光热转换材料是一种能将太阳能转换成热能的纳米材料，在农业、建筑等领域具有广泛的应用前景。将太阳光热转换材料制备成可喷涂的功能涂层是实现其在建筑、农业领域应用最佳途径之一。但目前太阳光热转换效率高的大多数是无机纳米材料，其分散性较差，无法形成均匀的涂层；其次，太阳转换功能涂层的制备方法主要有气相沉积、溅射沉积法、化学渡法、溶胶-凝胶法等方法，这些方法存在操作复杂、功能涂层与基材结合强度弱以及不适合大面积制备等问题，因此，亟需发展一种简单高效、涂层分散均匀且结合力度强的光热功能凝胶的大面积制备方法。

技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可喷涂的太阳光热转换功能凝胶及其制备方法和应用，该功能凝胶可直接喷涂到基材表面形成涂层，具有涂层分散均匀且结合力度强的特点。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
5.本发明第一方面提供了一种可喷涂的太阳光热转换功能凝胶的制备方法，包括以下步骤：
6.(1)对光热转换材料进行表面修饰
7.将聚琥珀酰亚胺(psi)加入至dmf中，在60-80℃的加热条件下搅拌至完全溶解得到聚琥珀酰亚胺溶液，然后向其中加入油胺进行反应10-15h，得到油胺化的聚琥珀酰亚胺，简称psi-oam，使psi-oam从溶剂中分离出来后将其溶于氯仿中，得到psi-oam/氯仿溶液；将光热转换纳米材料分散在水中，并向其中加入psi-oam/氯仿溶液，超声处理后，对其进行固液分离，对所得的固体物料进行水洗后，得到psi-oam修饰的光热转换纳米材料。
8.其中：所述光热转换纳米材料为硫化铜纳米材料，所述硫化铜纳米材料可选用cu7s4纳米颗粒也可以选用cus纳米片等。
9.(2)制备太阳光热转换功能凝胶
10.将正硅酸四乙酯滴加到去离子水和乙醇溶液中，其体积比为18：9.32：4.475，然后用浓度为0.05-0.2mol/l的冰醋酸调节混合溶液的ph为4-5，室温下搅拌反应1-2h直至溶液由浑浊变澄清，随后用浓度为0.05-0.2mol/l的氨水调节溶液ph为7-8得到硅凝胶；向硅凝胶中加入修饰后的光热转换材料，超声分散后加入水性聚氨基甲酸酯，简称水性pu，混合均匀后得到太阳光热转换功能凝胶。优选的，太阳光热转换功能凝胶中水性pu的含量为1wt％～5wt％。
11.在上述太阳光热转换功能凝胶的制备过程中，先将混合溶液的ph调节在4-5之间，
为制备硅凝胶提供合适的酸环境。在反应结束即溶液由浑浊变澄清后，再将溶液的ph调节到7-8，此时溶液属于近中性，易于硅凝胶与水性pu、光热转换纳米材料之间反应。上述反应中，溶液ph偏酸会引起光热转换纳米颗粒的团聚，溶液ph偏碱会引起复合溶胶的凝胶化。
12.由于光热转换材料硫化铜纳米颗粒具有较高的表面活性，其在功能涂层应用中易发生团聚从而对其光热转换性能及涂层的稳定性产生影响，因此，本发明通过表面修饰技术提高光热转换材料硫化铜纳米颗粒在硅凝胶中的分散性。由于硫化铜纳米颗粒的表面是负电性的，本发明首先制备具有两亲性的psi-oam，其中带正电疏水的油胺基与带负电的硫化铜发生静电吸附，而psi的亲水端使得修饰后的硫化铜均匀地分散在水中，从而提高硫化铜纳米颗粒在硅凝胶中的分散性，得到稳定的功能凝胶。
13.另外，在制备功能涂层时，由于表面张力的存在，无机硫化铜纳米颗粒与硅凝胶的复合溶液在热处理后易发生分层现象。为避免分层现象，本发明选用水性pu，利用水性pu分子中含有大量的极性基团，其分子间作用力较强，具有其优异的成膜能力，将其与光热转换材料、硅凝胶进行复合，优化功能凝胶成膜效果，最终形成均匀稳定的涂层。
14.本发明第二方面提供了一种可喷涂的太阳光热转换功能凝胶，该太阳光热转换功能凝胶是根据本发明第一方面提供的制备方法制备所得。
15.本发明第三方面提供了上述太阳光热转换功能凝胶作为功能涂层的应用，包括以下步骤，使用喷笔将太阳光热转换功能凝胶喷涂到基材上，保持喷头的发线方向与基材表面垂直，然后干燥处理即可在基材的表面得到功能涂层。进一步优选的，所述基材为玻璃、金属或建筑物。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1、本发明中的可喷涂式太阳光热转换功能凝胶的制备方法通过对光热转换材料进行表面修饰，成功地将光热转换材料均匀地分散在硅凝胶中，制备成了光热转换功能凝胶。
18.2、本发明中的太阳光热转换功能凝胶可以利用喷喷涂在各种基材表面，如玻璃、金属、建筑物等。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，便于在农用玻璃大棚、建筑物等的应用。
附图说明
19.图1为实施例1制备得到的psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒的sem图；
20.图2为实施例1制备得到的太阳光热转换功能凝胶的丁达尔现象；
21.图3为cu7s4纳米颗粒(a)和psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒(b)在硅凝胶中的分散稳定性对比图；
22.图4为实施例1中制得的负载有功能涂层的玻璃片的光学照片；
23.图5为图4中玻璃片的横截面sem图；
24.图6为实施例2中制备得到的太阳光热转换功能凝胶的丁达尔现象；
25.图7为实施例2中制得的负载有功能涂层的玻璃片的光学照片；
26.图8为实施例3中制备得到的太阳光热转换功能凝胶的丁达尔现象；
27.图9为实施例3中制得的负载有功能涂层的玻璃片的光学照片。
具体实施方式
28.结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步详细说明。以下所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
29.需要说明的是下列实施例中所用的试剂和原料均为市售产品，市购可得。其中：水性聚氨基甲酸酯使用的是深圳市吉田化工有限公司生产的型号为f0401的水性聚氨酯。上述试剂只是为了说明本发明实验时所采用的试剂来源和成分，以便充分公开，并不表示采用其他同类试剂或其他供应商提供的试剂就不能实现本发明，因此不能理解为对本发明的限制。
30.下列实施例中所用的光热转换材料为空心的cu7s4纳米颗粒，该纳米颗粒是比较成熟的产品，可通过多种方法制备得到，本发明所采用的制备方法如下：
31.分别称取0.2g醋酸铜、0.2g聚乙烯吡咯烷酮溶解在30ml水中，随后加入10ml1m氢氧化钠溶液，搅拌反应30min出现砖红沉淀后，快速加入10ml 0.3m的抗坏血酸，加热至55℃反应1h，得到的混合溶液用水和乙醇分别洗涤3次，烘干后备用。
32.实施例1
33.一种可喷涂的太阳光热转换功能凝胶的制备方法，包括以下步骤：
34.(1)对光热转换材料进行表面修饰
35.将1g psi溶于20ml dmf中，在60℃的加热条件下搅拌至完全溶解得到聚琥珀酰亚胺溶液，向其中加入1ml油胺进行反应12h，得到油胺化的聚琥珀酰亚胺，即psi-oam。向溶液中加入甲醇使psi-oam从溶液中析出得到混合物料，对其进行固液分离，得到psi-oam。将psi-oam溶于氯仿中，得到20mg/ml的psi-oam/氯仿溶液；然后将10mgcu7s4纳米颗粒分散在20ml水中，并向其中加入5ml psi-oam/氯仿溶液，超声处理后，对其进行固液分离，对所得的固体物料进行水洗后，得到psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒。
36.(2)制备太阳光热转换功能凝胶
37.将18ml去离子水和9.32ml乙醇混合得到乙醇的水溶液，将4.475ml正硅酸四乙酯滴加到上述乙醇的水溶液中，然后用0.1mol/l冰醋酸调节混合溶液的ph至4.5得到混合溶液，室温下对混合溶液进行搅拌反应直至混合溶液由浑浊变澄清，随后用0.1mol/l氨水调节溶液ph至7.0得到硅凝胶。取2ml硅凝胶，加入10mg psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒，超声处理15min后，加入水性聚氨基甲酸酯(水性pu)，室温下继续搅拌15min，得到水性pu含量为1wt％的太阳光热转换功能凝胶；所得的太阳光热转换功能凝胶中psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒的含量为5mg/ml。
38.使用喷笔将上述制备的太阳光热转换功能凝胶喷涂到玻璃片上，喷笔的直径为1mm，喷笔的加压泵的压力值为10mpa，保持喷头的发线方向与玻璃片垂直，距离为20cm。将体积为5ml的太阳光热转换功能凝胶分三次均匀的喷涂在玻璃片表面，每次喷涂后将玻璃片放置在80℃下干燥10min，之后重复喷涂过程，最终获得的片材在110℃下保持30min，即可在玻璃片上获得由太阳光热转换功能凝胶形成的功能涂层。
39.图1是实施例1步骤(1)制备得到的psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒的sem图，从图1可看出，修饰后的cu7s4纳米颗粒可以均匀分散。该psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒可均匀分散在硅凝胶中，用激光照射后出现丁达尔效应，在凝胶中可以观察到一条明亮的光路(图2)。未修饰的cu7s4纳米颗粒在硅凝胶中发生沉淀(图3a)，而修饰后的光热转换功能凝胶在放置
一周后，其分散性并未发生变化(图3b)，说明本发明通过对光热转换纳米材料进行表面修改后制得的光热转换功能凝胶的稳定性能较佳。图4是实施例1中制得的太阳光热转换功能凝胶喷涂到玻璃片表面后的光学照片，可以看出玻璃片表面形成的功能涂层较为平整光滑。图5为负载有功能涂层的玻璃片的横截面sem图，从图5可看出其厚度约为5μm。
40.实施例2
41.与实施例1不同的是，本实施例在制备太阳光热转换功能凝胶步骤中，通过改变psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒材料的加入量，使最终得到的中太阳光热转换功能凝胶中psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒的含量为10mg/ml，制备的光热转换功能凝胶的颜也较实施例1的颜深，其光路的亮度比实施例1中弱(图6)。将其喷涂在玻璃片上，其光学照片如图7，玻璃的表面的颜比实施例1明显加深，其透过率也随之降低。这是由于光热转换纳米粒子的颜是黑的，其含量增加会导致玻璃的透过率降低，而吸收太阳能能量也随之增加，进而玻璃表面温度和光热转换效率升高。
42.实施例3
43.与实施例1不同的是，本实施例在制备太阳光热转换功能凝胶步骤中，通过改变psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒的加入量，使最终得到的太阳光热转换功能凝胶中psi-oam修饰的cu7s4纳米颗粒为20mg/ml，制备的光热转换功能凝胶的颜也较实施例1、实施例2的颜都深，且不能观察到一条完整的光束(图8)。将其喷涂在玻璃片上，其光学照片如图9，玻璃表面的颜比实施例1、2明显加深，这是由于cu7s4纳米颗粒的含量进一步加深的，导致激光光束无法穿过功能凝胶，在玻璃表面含量也随之增加，玻璃表面的颜也随之变深。
44.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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种可喷涂的太阳光热转换功能凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)对光热转换材料进行表面修饰：将聚琥珀酰亚胺溶解在溶剂中得到聚琥珀酰亚胺溶液，然后向其中加入油胺进行反应，得到油胺化的聚琥珀酰亚胺，即psi-oam，使psi-oam从溶剂中分离出来后将其溶于氯仿中，得到psi-oam/氯仿溶液；将光热转换纳米材料分散在水中，并向其中加入psi-oam/氯仿溶液，超声处理后，对其进行固液分离，对所得的固体物料进行水洗后，得到psi-oam修饰的光热转换纳米材料；(2)制备太阳光热转换功能凝胶：将正硅酸四乙酯加入到乙醇的水溶液中，然后加入酸调节其ph至酸性得到混合溶液；室温下对混合溶液进行搅拌直至混合溶液由浑浊变澄清，随后加入碱调节其ph至7-8得到硅凝胶；向硅凝胶中加入psi-oam修饰的光热转换纳米材料，超声分散后加入水性聚氨基甲酸酯，混合均匀后得到太阳光热转换功能凝胶。2.根据权利要求1所述的可喷涂的太阳光热转换功能凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺；所述溶剂的温度为60-80℃；加入油胺进行反应的时间为10-15h。3.根据权利要求1所述的可喷涂的太阳光热转换功能凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述光热转换纳米材料为硫化铜纳米材料。4.根据权利要求1所述的可喷涂的太阳光热转换功能凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述酸是浓度为0.05-0.2mol/l的冰醋酸，所述混合溶液的ph值为4-5，室温下对混合溶液进行搅拌的时间为2-5h。5.根据权利要求1所述的可喷涂的太阳光热转换功能凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述碱是浓度为0.05-0.2mol/l的氨水。6.根据权利要求1所述的可喷涂的太阳光热转换功能凝胶的制备方法，其特征在于：骤(2)中，所述太阳光热转换功能凝胶中水性聚氨基甲酸酯的含量为1wt％～5wt％。7.一种可喷涂的太阳光热转换功能凝胶，其特征在于：其是采用如权利要求1至6中任一项所述的制备得到制备所得。8.如权利要求7所述的可喷涂的太阳光热转换功能凝胶作为功能涂层的应用，其特征在于：包括以下步骤，将太阳光热转换功能凝胶喷涂至基材表面，干燥后即在基材的表面得到功能涂层。9.根据权利要求8所述的可喷涂的太阳光热转换功能凝胶作为功能涂层的应用，其特征在于：所述喷涂的具体方法为：使用喷笔将太阳光热转换功能凝胶喷涂到基材上，保持喷头的发线方向与基材表面垂直，然后干燥处理即可。10.根据权利要求8所述的可喷涂的太阳光热转换功能凝胶作为功能涂层的应用，其特征在于：所述基材为玻璃、金属或建筑物。

技术总结

本发明公开了一种可喷涂的太阳光热转换功能凝胶及其制备方法和应用，该太阳光热转换功能凝胶的制备分为两步，首先利用油胺化的聚琥珀酰亚胺对光热转换材料进行表面修饰，然后将油胺化的聚琥珀酰亚胺修饰的光热转换纳米材料分散在硅凝胶中，并通过调节体系pH和加入水性聚氨基甲酸酯制备得到太阳光热转换功能凝胶。该凝胶可通过喷喷涂到玻璃、金属、建筑物等任何物体上，并形成表面光滑平整的功能涂层，解决了光热转换纳米材料颗粒在水性硅凝胶中分散不均匀的问题。该方法操作简单，原料简单易得，制备的太阳光热转换功能凝胶具有较好的光热转换性能和优异的稳定性，在玻璃暖房、建筑节能等领域具有广泛的应用前景。建筑节能等领域具有广泛的应用前景。建筑节能等领域具有广泛的应用前景。