CN109206553A - 一种太阳能光热转换材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳能光热转换材料及其制备方法，其中，方法包括步骤：将吸光材料、水溶性单体、引发剂和交联剂混合分散在水中，得到反应液；或者，将吸光材料、水溶性聚合物和交联剂混合分散在水中，得到反应液；用海绵吸附上述反应液，经凝胶化，得到水凝胶，再经多次循环冻融后，冷冻干燥，并溶于水至饱和溶胀，得到所述太阳能光热转换材料。海绵材料的多孔性能提升此太阳能光热转换材料的吸水性，能解决结盐问题，即自清洁性。本发明太阳能光热转换材料中，吸光材料保证了此太阳能光热转换材料的吸光性，水凝胶材料能降低水分蒸发所需的潜热，这保证了光热转换的高效性和高的蒸发速率。

Description

一种太阳能光热转换材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及光热材料领域，尤其涉及一种太阳能光热转换材料及其制备方法。
背景技术
太阳能光热转换材料是一种能吸收太阳光并转化成热能用于加速水分蒸发的材料，可被用于海水淡化、废水处理等诸多领域，是一种节能环保可持续的淡化水生产方式。然而，目前太阳能光热转换材料的效率仍有待提高，结盐问题有待解决。为提高太阳能光热转换效率，目前已提出的方法有集热法、提高光照强度法、添加光吸收剂法、构建多级结构法、降低潜热法，然而这些方法或者需要较高的成本或者需要复杂的方法，比如多步骤的合成过程、高昂的强光照设备和费用或贵金属原料等。总的来说，这些方法步骤复杂，耗时耗能，成本较高。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能光热转换材料及其制备方法，旨在解决现有太阳能光热转换材料的效率仍有待提高，结盐问题有待解决的问题。
本发明的技术方案如下：
一种太阳能光热转换材料的制备方法，其中，包括步骤：
将吸光材料、水溶性单体、引发剂和交联剂混合分散在水中，得到反应液；
或者，将吸光材料、水溶性聚合物和交联剂混合分散在水中，得到反应液；
用海绵吸附上述反应液，经凝胶化得到水凝胶，或者，在海绵骨架材料中采用互穿双网络等方法得到水凝胶，再经多次循环冻融后，冷冻干燥，并溶于水至饱和溶胀，得到所述太阳能光热转换材料。
所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其中，所述吸光材料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯等碳基物质、聚吡咯、聚苯胺等黑色聚合物、金属纳米粒子等中的一种或多种。
所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其中，所述水溶性单体选自丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵等中的一种或多种。
所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其中，所述水溶性聚合物选自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸和多糖等中的一种或多种。
所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其中，所述交联剂选自N,N-亚甲基双丙烯酰胺、多价金属离子、多官能团交联剂和大分子交联剂等中的一种或多种。
所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其中，所述引发剂选自过氧化物和水溶性偶氮类引发剂等中的一种或多种。
所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述海绵选自聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵等天然或合成的纤维素、发泡塑料等多孔材料的中的一种或多种。
一种太阳能光热转换材料，其中，采用本发明所述的太阳能光热转换材料的制备方法制备得到。
有益效果：本发明旨在设计高效的具有自清洁功能的一种太阳能光热转换材料，该方法可在温和条件下，将水溶性单体或聚合物、吸光材料分散在海绵里进行聚合和交联反应制备太阳能光热转换材料。海绵材料的多孔性能提升此太阳能光热转换材料的吸水性，能解决结盐问题，即自清洁性。吸光材料保证了此太阳能光热转换材料的吸光性，水凝胶材料能降低水分蒸发所需的潜热，这保证了光热转换的高效性和高的蒸发速率，而且这种制备方法操作简单，一步完成，条件温和，原料成本低，适合批量生产，产业化前景好。
附图说明
图1为本实施例提供的太阳能光热转换材料的制备流程示意图。
图2为本实施例提供的太阳能光热转换材料的太阳能蒸发原理示意图。
具体实施方式
本发明提供一种太阳能光热转换材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1所示，本发明实施例提供一种太阳能光热转换材料的制备方法，其中，包括步骤：
将吸光材料、水溶性单体、引发剂和交联剂混合分散在水中，得到反应液；
或者，将吸光材料、水溶性聚合物和交联剂混合分散在水中，得到反应液；
用海绵吸附上述反应液，经凝胶化得到水凝胶，或者，在海绵骨架材料中采用互穿双网络等方法得到水凝胶，再经多次循环冻融后，冷冻干燥，并溶于水至饱和溶胀，得到所述太阳能光热转换材料。
在一种实施方式中，本实施例在温和条件下，将水溶性单体和吸光材料等分散在水里，用海绵作为基底材料吸取上述反应液，然后进行凝胶化得到水凝胶，或者，在海绵骨架材料中采用互穿双网络等方法得到水凝胶，再经过多次循环冻融后，冷冻干燥，并溶于水至饱和溶胀，得到最终的太阳能光热转换材料。在另一种实施方式中，在温和条件下，将水溶性聚合物和吸光材料等分散在水里，用海绵作为基底材料吸取上述反应液，然后进行凝胶化得到水凝胶，或者，在海绵骨架材料中采用互穿双网络等方法得到水凝胶，再经过多次循环冻融后，冷冻干燥，并溶于水至饱和溶胀，得到最终的太阳能光热转换材料。海绵材料的多孔性能提升此太阳能光热转换材料的吸水性，能解决结盐问题，即具有自清洁性。吸光材料保证了此太阳能光热转换材料的吸光性，水凝胶材料能降低水分蒸发所需的潜热，这保证了光热转换的高效性和高的蒸发速率，而且这种制备方法操作简单，一步完成，条件温和，原料成本低，适合批量生产，产业化前景好。本实施例方法可在温和条件下，将水溶性单体或聚合物、吸光材料分散在海绵里进行聚合和交联反应制备得到所述太阳能光热转换材料。
在一种优选的实施方式中，按照质量比为（0.5 ~ 20）:（5 ~ 30）, 将所述吸光材料和所述水溶性单体混合分散在水中。
在一种优选的实施方式中，按照质量比为（0.5 ~ 20）:（5 ~ 30）, 将所述吸光材料和所述水溶性聚合物混合分散在水中。
在一种优选的实施方式中，所述吸光材料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯等碳基物质、聚吡咯、聚苯胺等黑色聚合物、金属纳米粒子等中的一种或多种，但不限于此。上述吸光材料能够保证最终的太阳能光热转换材料的吸光性。
在一种优选的实施方式中，所述水溶性单体选自丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵等中的一种或多种，但不限于此。
在一种优选的实施方式中，所述水溶性聚合物选自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸和多糖等中的一种或多种，但不限于此。更优选的，所述多糖选自海藻酸盐、淀粉和纤维素等中的一种或多种。
在一种优选的实施方式中，所述交联剂选自N,N-亚甲基双丙烯酰胺、多价金属离子（如Fe3+或Ca2+等）、多官能团交联剂（如戊二醛等）和大分子交联剂（如有机无机纳米粒子等）等中的一种或多种，但不限于此。
在一种优选的实施方式中，所述引发剂选自过氧化物（过硫酸铵等）和水溶性偶氮类引发剂等中的一种或多种，但不限于此。
在一种优选的实施方式中，所述用海绵吸附上述反应液的步骤中，所述反应液体积为海绵体积的20% ~ 100%。
在一种优选的实施方式中，所述凝胶化的温度为室温至80℃, 时间为30 min ~48 h。
在一种优选的实施方式中，所述循环冻融的条件：零下20℃左右冰箱冷冻，室温25℃左右融化。
在一种优选的实施方式中，所述海绵选自聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵等天然或合成的纤维素和发泡塑料等多孔材料的中的一种或多种，但不限于此。上述海绵材料的多孔性能提升此太阳能光热转换材料的吸水性，能解决结盐问题，即具有自清洁性。
与现有技术相比，本发明具有以下好处：
（1）太阳能光热转换材料利用了海绵极佳的吸水性、导水性，这种优异的导水能力能预防结盐问题的产生，实现自清洁的效果。太阳能光热转换材料降低水蒸发潜热的能力，既能提高水蒸发的蒸发效率，也能解决结盐问题；
（2）循环冻融法能够增加太阳能光热转换材料内部的孔道结构的尺寸，所以能够提高和改善太阳能光热转换材料的导水能力，有助于避免结盐问题，实现自清洁性；
（3）水凝胶材料具有降低水蒸发潜热的能力，可以大幅度提高水蒸发的蒸发速度，间接提高太阳能的转化效率；
本发明实施例还提供一种太阳能光热转换材料，其中，采用本发明实施例所述的太阳能光热转换材料的制备方法制备得到。结合图2所示，本发明实施例所述太阳能光热转换材料置于污水或海水中，在太阳光的照射下，能够蒸发水分，由于水凝胶中中间态水的存在能够降低水分蒸发所需的潜热，这保证了光热转换的高效性和高的蒸发速率。所述太阳能光热转换材料的多级网络通道由宏观的海绵网络通道和微观的水凝胶网络通道构成，提供良好的可控的供水速率，提高太阳能转化效率和实现自清洁性；所述太阳能光热转换材料由吸光材料和聚合物材料组成，通过对两种材料比例和整体含水率的调控，能提高复合材料中中间态水的比例，降低蒸发所需潜热，提高太阳能利用效率。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
炭黑-聚丙烯酰胺太阳能光热转换材料的制备：
将0.5 g炭黑、1.5 g的丙烯酰胺（AM）、0.0033 g的N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、0.0048 g的过硫酸铵（APS）加入到8 g的去离子水中，用高度为1 cm、半径为2 cm的圆柱状海绵吸附上述反应液，在70℃的烘箱里进行凝胶化，反应24 h后得到初步的海绵基水凝胶复合样品。在水中浸泡12 h除去未反应的单体，经多次循环冻融，最后经冷冻干燥后，在水中溶胀得到最终的炭黑-聚丙烯酰胺太阳能光热转换材料。
实施例2
炭黑-聚乙烯醇太阳能光热转换材料的制备：
将0.5 g炭黑、1.0 g的聚乙二醇（PVA）、70 μL的戊二醛（GA）加入到9.0 g的水中，加入50 μL的1.2 mol/L的HCl水溶液配成反应液，超声混合均匀，立即用高度为1 cm、半径为2cm的圆柱状海绵吸附上述反应液，在室温下进行凝胶化，反应24 h后得到初步的海绵基水凝胶复合样品。在水中浸泡12 h除去未反应的单体，经多次循环冻融，最后经冷冻干燥后，在水中溶胀得到最终的炭黑-聚乙烯醇太阳能光热转换材料。
综上所述，本发明旨在设计高效的具有自清洁功能的一种太阳能光热转换材料，该方法可在温和条件下，将水溶性单体或聚合物、吸光材料分散在海绵里进行聚合和交联反应制备太阳能光热转换材料。海绵材料的多孔性能提升此太阳能光热转换材料的吸水性，能解决结盐问题，即自清洁性。吸光材料保证了此太阳能光热转换材料的吸光性，太阳能光热转换材料能降低水分蒸发所需的潜热，这保证了光热转换的高效性和高的蒸发速率，而且这种制备方法操作简单，一步完成，条件温和，原料成本低，适合批量生产，产业化前景好。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种太阳能光热转换材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将吸光材料、水溶性单体、引发剂和交联剂混合分散在水中，得到反应液；
或者，将吸光材料、水溶性聚合物和交联剂混合分散在水中，得到反应液；
用海绵吸附上述反应液，经凝胶化得到水凝胶，再经多次循环冻融后，冷冻干燥，并溶于水至饱和溶胀，得到所述太阳能光热转换材料。
2.根据权利要求1所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述吸光材料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚吡咯、聚苯胺、金属纳米粒子中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述水溶性单体选自丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述水溶性聚合物选自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸和多糖中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述交联剂选自N,N-亚甲基双丙烯酰胺、多价金属离子、多官能团交联剂和大分子交联剂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述引发剂选自过氧化物和水溶性偶氮类引发剂中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的太阳能光热转换材料的制备方法，其特征在于，所述海绵选自聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵以及天然或合成的纤维素或发泡塑料中的一种或多种。
8.一种太阳能光热转换材料，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的太阳能光热转换材料的制备方法制备得到。
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