一种高强高导热复合相变纤维、制备方法及应用

本发明涉及相变复合材料，具体涉及一种高强高导热复合相变纤维、制备方法及应用。背景技术：1、随着碳纳米管纤维的快速发展，多功能碳纳米管复合纤维也随之发展。当碳纳米管纤维与不同功能材料复合形成的复合纤维具有特定的功能性，可应用于人工肌肉、电子器件、智能可穿戴以及复合材料等众多领域。2、相变材料能够在特定温度下发生相态转变，将外界环境中损失的能量以相变潜热形式存储起来，再按需进行自主释放并维持自身温度近似恒定。相变储能材料聚乙二醇是一种常用的相变材料由于相变焓高、性能稳定、化学稳定性和生物相容性等优点，它在众多应用场景中具有显著的优势。值得关注的是，碳纳米管纤维是碳纳米管定向组装而成的一维连续纤维材料。基于碳纳米管内相邻碳原子间较强sp2键连接，赋予了碳纳米管纤维优异的力学强度，高导电以及高导热等特性。除此以外，碳纳米管丰富的比表面积，为碳纳米管复合纤维材料提供了极其丰富的界面。因此，以碳纳米管纤维为主体，负载相变材料可以显著提升相变纤维力学强度和相变过程导热性能。3、综上，现有技术主要存在以下缺点：1)以聚乙二醇作为相变材料，在相变过程，难以维持形态结构；2)目前，吸附聚乙二醇作为相变材料的组装体，难以编织性；3)吸附聚乙二醇作为相变材料的组装体的热导率相对较低；4)吸附聚乙二醇作为相变材料的组装体的力学性能都相对较低。技术实现思路1、针对现有技术中相变复合材料热导率低、储热能力差，而且在相变过程，难以维持形态结构及力学性能差等缺陷，本发明在于提供一种高强高导热复合相变纤维、制备方法及应用，通过将相变材料均匀分布于碳纳米管纤维孔隙内或碳纳米管的管间间隙中，使复合相变纤维在具有优异的电导率、热性能和力学性能的同时高负载的情况下还保持优异的形状稳定性，从而克服现有技术中的不足。2、为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：3、一方面，本发明提供一种高强高导热复合相变纤维的制备方法，包括以下步骤：4、s1.将碳纳米管纤维浸渍于成孔剂中，加热，使成孔剂渗入碳纳米管纤维孔隙内和/或管间间隙中；5、s2.对s1的混合物进行凝固化处理，使渗入碳纳米管纤维孔隙内和/或管间间隙中的成孔剂快速凝固，形成晶体结构；6、s3.脱除s2中碳纳米管纤维孔隙内和/或管间间隙中的晶体结构，形成具有层间多级孔隙结构的碳纳米管纤维；7、s4.将s3制得的碳纳米管纤维浸渍于相变材料溶液中，加热，使相变材料渗透入所述碳纳米管纤维的层间多级孔隙结构中，制得复合相变纤维粗品；8、s5.将复合相变纤维粗品经溶剂洗涤、干燥，制得。9、一些具体的实施例中，以碳纳米管纤维作为基底，先利用水热法使水分子快速插层到碳纳米管间隙；再将所述碳纳米管纤维溶液冷冻，使分布于碳纳米管纤维孔隙内或碳纳米管的管间的水分子快速凝固形成有序冰晶结构，从而使碳纳米管纤维形成多层有序孔结构。10、一些具体的实施例中，将具有多孔有序结构的碳纳米管纤维浸渍于相变材料溶液中，在蒸发浓缩以及毛细作用下使得相变材料充分渗透入碳纳米管纤维的多层有序孔结构中，通过热水浴洗涤处理，制得高强高导热碳纳米管复合相变纤维。11、进一步地，所述成孔剂选自水、乙醇、甲醇和丙酮的一种或多种；或所述成孔剂选自水、乙醇、甲醇和丙酮的一种；优选地，所述成孔剂选自水。12、需要说明的是，成孔剂从液态变为凝固态时，体积会变大，使得碳纳米管间隙中形成有序晶体结构。13、进一步地，所述s2中，凝固化处理为陈化处理、冷冻处理、溶胶化处理中的一种或多种的组合；或所述凝固化处理为陈化处理、冷冻处理、溶胶化处理中的一种；优选地，所述凝固化处理为冷冻处理。14、进一步地，所述s3中，所述的脱除s2中的晶体结构采用超临界干燥、冷冻干燥、真空干燥、喷雾干燥、微波干燥和红外干燥中的一种或多种的组合；或所述的脱除s2中的晶体结构采用超临界干燥、冷冻干燥、真空干燥、喷雾干燥、微波干燥和红外干燥中的一种；优选地，所述的脱除s2中的晶体结构采用真空干燥。15、需要说明的是，碳纳米管纤维孔隙内和/或管间间隙中的晶体结构通过升华的方式进行脱除，由液态直接变为气态，可以极大保留碳纳米管纤维上多孔结构的完整。16、进一步地，所述s3中相变材料溶液包括以下质量份组分：5-50份相变材料、50-95份溶剂；相变材料选自聚乙二醇、石蜡、正己烷、正十八烷、正癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、硬脂酸、新戊二醇、季戊四醇中的一种或两种以上的组合；溶剂选自水、乙醇、乙二醇、异丙醇、乙醚、丙酮中的一种或两种以上的组合。17、进一步地，s3中相变材料溶液包括以下质量份组分：10-40份相变材料、60-90份溶剂；或10-30份相变材料、70-90份溶剂。18、进一步地，相变材料选自聚乙二醇、石蜡、正己烷、正十八烷、正癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、硬脂酸、新戊二醇、季戊四醇中的一种；优选地，相变材料选自聚乙二醇；溶剂选自水、乙醇、乙二醇、异丙醇、乙醚、丙酮中的一种；优选地，溶剂选自乙醇。19、进一步地，所述s5中，溶剂洗涤的工艺条件为：将复合相变纤维浸入溶剂中，洗涤时间为5～60s。20、第二方面，本发明提供一种高强高导热复合相变纤维，包括碳纳米管纤维和相变材料，所述相变材料均匀分布于碳纳米管纤维孔隙内或管间间隙中，所述相变材料的量为所述复合材料的重量的15～35％，该复合材料的热导率为100-300m-1k-1，拉伸强度≥500mpa，相变温度为50-65℃，相变潜热≥20j/g。21、第三方面，本发明提供一种高强高导热复合相变纤维在热界面材料、能源存储材料、高温防护材料中的应用。22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：23、(1)本发明制备工艺简单，采用水热法与冷冻铸造技术，利用冰晶造孔制备碳纳米管-相变材料复合相变纤维具有很好的均匀性，可以在相变过程中仍保持固体形态，通过浸渍蒸发浓缩与毛细作用下，使相变材料被很好的束缚在碳纳米管层间多级孔隙结构中，有效的防止在相变过程中导致的相变材料的渗透；24、(2)本发明制得的复合相变纤维可溶于有机溶剂，具有较高的拉伸强度，高热导率、密度低、相变温度可调范围宽、相变焓或潜热高；在热界面材料、能源存储材料、高温防护材料领域有非常广阔的应用前景；25、(3)本发明解决了以往以聚乙二醇作为相变材料的组装体无法兼顾形状稳定性并保持高力学性能和热导率的瓶颈问题，并且不涉及毒危险物品，环境友好。26、说明书附图27、图1是本发明的制备工艺原理示意图；28、图2是本发明一实施例的层间多级孔隙结构的碳纳米管纤维的形貌表征图；29、图3是本发明一实施例的层间多级孔隙结构的碳纳米管复合相变纤维的形貌表征图；30、图4是本发明的碳纳米管复合相变纤维的应力-应变曲线图；31、图5是本发明的碳纳米管复合相变纤维的dsc曲线图；32、图6是本发明的碳纳米管复合相变纤维的热导率对比图。