CN109438771A - 自漂浮柔性碳基光热转化薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料的技术领域，具体涉及一种自漂浮柔性碳基光热转化薄膜及其制备方法和应用。本发明提供了一种碳基光热转化薄膜，其包含碳基材料、膜基材和聚乙烯吡咯烷酮。本发明还提供了碳基光热转化薄膜的制备方法，其包含下述步骤：(1)将碳基材料、膜基材及聚乙烯吡咯烷酮混合得到混合粉末；(2)将所述的混合粉末溶于有机溶剂中，得到铸膜液；(3)将所述的铸膜液旋涂或者刮涂于面板上得到。本发明所述的碳基光热转化薄膜充分利用了廉价易得的碳基材料，实现了高效的光热转化，并且碳基光热转化材料是柔性的，可漂浮于各种液面上，不需要外加辅助设施，所述的膜是多孔的，可以在将太阳光转化为热的同时实现将水从底部向膜表面的传导。

Description

自漂浮柔性碳基光热转化薄膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料的技术领域，具体涉及一种自漂浮柔性碳基光热转化薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
随着人类社会的发展，水资源短缺日益成为全球环境问题之一。水量和水质型缺水的双重困局威胁着全球近40亿的人口，制约着人类社会的发展，尤其是社会经济不发达、自然资源匮乏的地区。因此，在全球能源危机面前，探索出一种低能耗、易普及的净水方法成为一种迫切的需要。水的自然循环是一种司空见惯的自然现象，其包涵了最广泛发生的水质净化的过程，而太阳能水正是自然循环的根本驱动力。光热转化正是人类对自然过程的学习和强化，拥有者最高的转化效率，也是人类社会利用太阳能的最主要形式。因此如何高效地利用太阳能强化水的蒸发，提升水的品质，拥有广泛的研究和应用前景。
目前，主要的光热蒸发材料有贵金属如金、银等纳米流体以及这些纳米颗粒进一步组装所构成的基于等离子激元效应的体系。但是在悬浮的光热转化体系中溶液中产生的热蒸汽气泡需要穿过整个溶液才能逃逸出去，造成大部分不必要的热量损失。因此，将等离子激元体系引入漂浮材料表面，作为光热转化单元，利用集热效应提升光热蒸发效率成为普遍的一种设计思路。但是贵金属材料价格相对昂贵、材料制备工艺复杂、材料不易于大规模生产和二次加工，这也大大限制了它们的实际应用。
除贵金属外，碳基材料如碳纳米管(CNT)、石墨烯(GO)等无机纳米材料及进一步组装而成的宏观漂浮碳材料也有良好的光热转化性能。但这些材料大多数都是块状材料或者必须依附于一定的支撑材料，制备工艺也较为严苛，且大多靠物理吸附或范德华力连接，材料的二次加工和稳定性存在一定的不足，离实际生产应用仍有一定的差距。
申请号CN201710450953.1提供了一种碳基光热转化薄膜及其制备方法和应用及一种光热转化装置，其通过微波处理制备膨胀炭黑，提高膨胀炭黑的光热转化性能，再使用交联剂使膨胀炭黑表面的羧基基团和混合纤维素表面的氨基基团发生交联反应，得到碳基光热转化薄膜，但是，由于该制备方法得到的光热转化薄膜只是将改性的炭黑负载在商品膜的表面，结合力仍然较弱，存在脱落的问题，不宜在长时间处于工作环境。
发明内容
为此，本发明所解决的技术的问题是在现有技术中，光热转化-促进蒸发是一种新兴的获取水资源的方式，但是由于水本身的吸光能力较差，比热容较大，导致在自然条件下蒸发速率较慢。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种碳基光热转化薄膜，所述碳基光热转化薄膜包含碳基材料、膜基材和聚乙烯吡咯烷酮。
本发明提供了碳基光热转化薄膜的制备方法，其包含下述步骤:
(1)将碳基材料、膜基材及聚乙烯吡咯烷酮混合得到混合粉末；
(2)将步骤(1)所述的混合粉末溶于有机溶剂中，得到铸膜液；
(3)将步骤(2)所述的铸膜液进行涂覆得到。
本发明提供了所述的碳基光热转化薄膜在太阳能光热转化装置中的应用。
本发明还提供了一种光热转化装置，其包含上述所述的碳基光热转化薄膜
具体来说，本发明提出了如下技术方案。
本发明提供了一种碳基光热转化薄膜，其包含碳基材料、膜基材和聚乙烯吡咯烷酮。
优选的，对于上述所述的碳基光热转化薄膜，其中，所述碳基材料选自于炭黑、石墨、碳纳米管或活性炭中的一种。
优选的，对于上述所述的碳基光热转化薄膜，其中，所述膜基材选自于醋酸纤维素、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈或聚氯乙烯中的一种。
优选的，对于上述所述的碳基光热转化薄膜，其中，所述膜基材与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:0.05-0.6，优选为1:0.2-0.6，更优选为1：0.3-0.6；所述膜基材与碳基材料的质量比为1:0.05-1，优选为1:0.1-1，更优选为 1:0.3-0.6。
优选的，对于上述所述的碳基光热转化薄膜，其中，其通过包含下述步骤的方法制备得到：
(1)将碳基材料、膜基材及聚乙烯吡咯烷酮混合得到混合粉末；
(2)将步骤(1)所述的混合粉末溶于有机溶剂中，得到铸膜液；
(3)将步骤(2)所述的铸膜液进行涂覆得到。
本发明提供了一种所述碳基光热转化薄膜的制备方法，其包含下述步骤：
(1)将碳基材料、膜基材及聚乙烯吡咯烷酮混合得到混合粉末；
(2)将步骤(1)所述的混合粉末溶于有机溶剂中，得到铸膜液；
(3)将步骤(2)所述的铸膜液进行涂覆得到。
优选的，对于上述所述的制备方法，其中，在步骤(2)中，所述有机溶剂选自于N,N-二甲基乙酰胺、丙酮或N,N-二甲基甲酰胺中的一种或两种以上。
优选的，对于上述所述的制备方法，其中，所述膜基材与有机溶剂的质量比为4-25:100，优选为6-14:100。
优选的，对于上述所述的制备方法，其中，在步骤(2)中，还包含将混合粉末进行搅拌、超声和脱泡的步骤。
优选的，对于上述所述的制备方法，其中，所述搅拌的时间为10-15小时。
优选的，对于上述所述的制备方法，其中，所述超声的时间为30-60分钟。
优选的，对于上述所述的制备方法，其中，所述脱泡的时间为24-48小时，优选为36-48小时。
优选的，对于上述所述的制备方法，其中，在步骤(3)中，所述涂覆为刮涂或旋涂，优选的，所述刮涂的厚度为0.25-1毫米，较优选为0.3-0.8毫米；更优选的，所述旋涂的转速为600-800rpm。
优选的，对于上述所述的制备方法，其中，在步骤(3)中，还包含相转化的步骤。
优选的，对于上述所述的制备方法，其中，所述相转化的时间为20-40小时。
优选的，对于上述所述的制备方法，其中，所述相转化在恒温水浴中进行，所述恒温的温度为20-45℃。
本发明提供了一种碳基光热转化薄膜在太阳能光热转化装置中的应用。
本发明提供了一种光热转化装置，其包含上述所述的碳基光热转化薄膜。
优选的，对于上述所述的光热转化装置，其中，所述光热转化装置还包含吸水材料，优选的，所述碳基光热转化薄膜涂覆于所述吸水材料之上得到涂覆有碳基光热转化薄膜的吸水材料，较优选的，所述吸水材料选自于聚酯无纺布、吸水纸、无尘纸或滤纸中的一种。
优选的，对于上述所述的光热转化装置，其中，所述光热转化装置还包含支撑材料，所述涂覆有碳基光热转化薄膜的吸水材料包裹于所述支撑材料上，优选的，所述支撑材料选自于泡沫塑料或隔热材料，较优选的，所述泡沫塑料选自于聚氯酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料或者聚乙烯泡沫饲料中的一种。
优选的，对于上述所述的光热转化装置，其中，所述光热转化装置置于淡水、海水或乙醇中。
本发明所取得的有益效果是：
(1)本发明制备的碳基光热转化薄膜充分利用了廉价易得的碳基材料，通过实现其均匀的分散实现了高效的光热转化；
(2)本发明制备的碳基光热转化材料是柔性的，可自漂浮于各种水面之上，不需要外加辅助设施；
(3)本发明制备的柔性自漂浮碳基光热转化薄膜是多孔的，可以在将太阳光转化为热的同时，实现将水从底部向膜表面的传导，即光热转化和水分传输的同步实现；
(4)该薄膜可以涂覆、包覆、包裹于不同的吸水和支撑材料之上，具有很强的可加工性和功能的延伸性；
(5)碳基光热转化薄膜具有足够的机械强度和优异的重复利用性。
附图说明
图1是实施例一制备得到的碳基光热转化薄膜的光吸收图谱示意图。
图2是实施例一制备得到的碳基光热转化薄膜的扫描电镜示意图。
图3是图2中炭黑颗粒扫描电镜图。
图4是实施例二制备得到的光热转化装置示意图。
图5是实施例二所述的光热转化装置在模拟光照下(1kW/m2)下的蒸发质量变化示意图。
图6是实施例二所述的光热转化装置在模拟光照下(1kW/m2)下的净蒸发速率随时间变化的示意图。
图7是实施例二所述的光热转化装置在模拟光照下(1kW/m2)下的光蒸发重复试验性能测试示意图。
具体实施方式
如上所述，本发明提供了一种碳基光热转化薄膜，所述碳基光热转化薄膜包含碳基材料、膜基材和聚乙烯吡咯烷酮。
优选的，对于上述所述的碳基光热转化薄膜，其中，所述碳基材料选自于炭黑、石墨、碳纳米管或活性炭中的一种，所述碳基材料的作用是提供光热转化性能。
优选的，对于上述所述的碳基光热转化薄膜，其中，所述膜基材选自于醋酸纤维素、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈或聚氯乙烯中的一种。优选的，所述聚偏氟乙烯的分子量为50-90万。
所述醋酸纤维素为本领域公知的醋酸纤维素，所述醋酸纤维素的CAS号为9004-35-7。
所述聚丙烯腈的分子量为14840-15105。
所述聚氯乙烯的K值为72-71，其聚合度为1370～1251。
所述聚乙烯吡咯烷酮在制备碳基光热转化薄膜中提供成孔的作用，这样使制备得到的多孔碳基光热转化薄膜有利于对水分的运输和蒸发逸散，所述聚乙烯吡咯烷酮的K值为30。
在本发明较优选的一种具体实施方式中，其中，所述膜基材与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:0.05-0.6，优选为1:0.2-0.6，更优选为1:0.3-0.6；所述膜基材与碳基材料的质量比为1:0.05-1，优选为1:0.1-1，更优选为1:0.3-0.6。
本发明提供了碳基光热转化薄膜的制备方法，其包含下述步骤:
(1)将碳基材料、膜基材及聚乙烯吡咯烷酮混合得到混合粉末；
(2)将步骤(1)所述的混合粉末溶于有机溶剂中，得到铸膜液；
(3)将步骤(2)所述的铸膜液进行涂覆得到。
在本发明优选的一种具体实施方式中，其中，所述有机溶剂选自于N,N- 二甲基乙酰胺、丙酮或N,N-二甲基甲酰胺中的一种或两种以上。
在本发明较优选的一种具体实施方式中，其中，所述膜基材与有机溶剂的质量比为4-25:100，优选为6-14:100。
在本发明较优选的一种具体实施方式中，其中，在步骤(2)中，还包含将混合粉末进行搅拌、超声和脱泡的步骤。
优选的，所述搅拌的时间为10-15小时。
优选的，所述超声的时间为30-60分钟。
优选的，所述脱泡为静置脱泡，所述脱泡的时间为24-48小时，优选为 36-48小时。
在本发明优选的一种具体实施方式中，其中，在步骤(3)中，所述涂覆为刮涂或旋涂，优选的，所述刮涂的厚度为0.25-1毫米，较优选为0.3-0.8毫米；更优选的，所述旋涂的转速为600-800rpm。
在本发明较优选的一种具体实施方式中，其中，在步骤(3)中，还包含相转化的步骤，优选的，所述相转化的时间为20-40小时。
优选的，所述相转化在恒温水浴中进行，所述恒温的温度为20-45℃。
优选的，在步骤(3)中，所述铸膜液在进行涂覆之后，进行相转化之前还包含在空气中静置30秒的步骤。
本发明通过高聚物膜基材作为膜的支撑骨架材料，实现了碳基材料的稳定分散和交联成膜。本发明制备的碳基光热转化膜具有比较优异的光吸收能力和优异的光热转化能力，同时兼具透水保水作用，可以有效将太阳能转化为热蒸汽。
本发明提供了所述的碳基光热转化薄膜在太阳能光热转化装置中的应用。
本发明提供了一种光热转化装置，其包含上述所述的碳基光热转化薄膜。
在本发明优选的一种具体实施方式中，其中，所述光热转化装置还包含吸水材料，优选的，所述碳基光热转化薄膜涂覆于所述吸水材料之上得到涂覆有碳基光热转化薄膜的吸水材料，较优选的，所述吸水材料选自于聚酯无纺布、吸水纸、无尘纸或滤纸中的一种。
在本发明较优选的一种具体实施方式中，其中，所述光热转化装置还包含支撑材料，所述涂覆有碳基光热转化薄膜的吸水材料包裹于所述支撑材料上，优选的，所述支撑材料选自于泡沫塑料或隔热材料，较优选的，所述泡沫塑料选自于聚氯酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料或者聚乙烯泡沫塑料中的一种。
本发明所提供的自漂浮柔性碳基光热转化薄膜具有高效的光热转化性能。该应用可以在太阳光的直接照射下，将常见的淡水、海水、乙醇等液体转化为蒸汽，从而实现溶液和溶质的分离，具有广阔的应用前景。该装置的方案包括直接使用不需要吸水材料的碳基光热转化薄膜和将碳基光热转化薄膜涂覆于一定的吸水材料之上两种。
吸水材料主要包括聚酯无纺布、吸水纸、无尘纸或滤纸。在本发明中，所述支撑材料密度较小(小于水)，且具有良好的机械强度和优异的导水(液体)性能，主要包括各种泡沫塑料和隔热材料。在应用过程中，通过吸水材料和支撑材料的组合搭配，一方面支撑材料为碳基光热转化薄膜的提供了良好的集热效应，另一方面吸水材料作为液体的通道将液体自下而上输送到碳基光热转化薄膜和吸水材料的接触面，为进一步的蒸发提供条件。更重要的是，无论是单独的碳基光热转化薄膜还是基于一定支撑材料和吸水材料的碳基光热转化薄膜，都体现了碳基光热转化薄膜灵活的使用方式和便与加工和进一步优化的巨大潜力。
本发明提供的光热转化装置置于水、海水、乙醇等液体表面，使之自由漂浮，薄膜下层的液体直接接触薄膜或者被吸水材料吸收、输送到吸水材料与碳基光热转化薄膜的接触面，碳基光热转化薄膜在模拟太阳光(1kW/m2) 的光照条件下产生热能，从而将与薄膜直接接触的液体转化为蒸汽，实现溶液和溶质的分离。
下面对本实施例所用的原料及设备的生产厂家，以及产品分析使用的设备和分析方法进行说明如下，其中所述的化学物质没有标明的均为常规试剂的化学纯级别，所述的实验设备没有标明的均是常规的实验设备。实施例所用到的原料的信息及实验设备如表1和表2所示
表1实施例中所用到的原料的信息
原料信息 纯度 生产厂家
炭黑 99.99％ Strem Chemicals,USA
石墨 >99.85％ 国药集团化学试剂有限公司(沪试)
碳纳米管 >95wt％ 南京先丰纳米材料科技有限公司
醋酸纤维素(CA) CAS:9004-35-7 国药集团化学试剂有限公司(沪试)
聚偏氟乙烯 分子量约60万 上海三爱富新材料科技有限公司
聚丙烯腈 约150000 上海沃凯化学试剂有限公司
聚乙烯吡咯烷酮 K-30 上海沃凯化学试剂有限公司
聚氯乙烯 K值为72-71 上海沃凯化学试剂有限公司
表2实施例中所用到的实验设备的信息
实施例一碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与300mg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入300mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物。
(2)向上述混合物中加入溶剂12g N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌10小时，超声振荡30分钟，得到均匀的炭黑铸膜液。
(3)将上述铸膜液室温下静置3天脱泡，脱泡时间为24小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.3mm的厚度刮涂该玻璃板之上。将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入35℃去离子水中，经历24小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将实施例一制备得到的碳基光热转化薄膜使用紫外-可见光光度计进行测定，其吸收谱图如图1所示。由图1可以看出，实施例一制备得到的碳基光热转化薄膜对于太阳光谱有优异的吸收能力，干燥的CB-CA光热转化薄膜平均能吸收大于95％的太阳光能，而湿润的CB-CA光热转化薄膜则可以利用大于96％的太阳光能。
使用扫描电子显微镜(SEM)对实施例一制备得到的CB-CA进行观察，其结果如图2和图3所示。从图2可以看出，平均粒径几十纳米的炭黑颗通过醋酸纤维素紧紧交联在一起，部分交联于膜表面，部分包埋于膜内(通过膜孔处可以明显看出)，与醋酸纤维素(CA)高分子骨架共同构成了一张表面分布有膜孔的较为光滑的膜。从图3可以看出，在碳基光热转化薄膜中，炭黑均匀分布，从而实现了高效的光热转化。这样制备得到的多孔的膜有利于漂浮时对水分的运输和蒸发逸散。
实施例二简易光热转化装置的制备
使用实施例一制备得到的碳基光热转化膜直接漂浮于水面之上，得到最为简易的光热转化装置。光热转化装置的示意图如图4所示。从图4可以看出，所述简易的光热转化装置的构成主要包括敞口容器、所盛放的液体、漂浮的柔性自漂浮碳基光热转化膜三个组成部分。
将实施例二所得到的简易光热转化装置进行下述性能的测定：
1)光热转化性能的测试
使用实施例二的简易光热转化装置，用面积为12cm2的碳基光热转化膜进行光热转化试验，控制光照强度为1kW/m2，所得的结果如图5和图6所示。其中，图5为模拟正常太阳光下光热转化实验中质量变化图，从图5可以看出，随着光照时间的增长，水不断蒸发，质量不断减小，50min质量变化大约为1.1g。图6为光热蒸发过程中净蒸发速度(光蒸发速度扣除暗蒸发速度)的变化图，从图6可以看出，随着光照时间的进行，净蒸发速率不断上升，在1500s处达到了稳态净蒸发速率1.0kg/m2·h。光热转化的不断进行，瞬时蒸发速度不断上升，在1500s处达到了稳态净蒸发速率1.0kg/m2·h，相比较当时实验环境温湿条件下水暗蒸发速率0.24kg/m2·h，稳态净蒸发速率为其4倍多，说明实施例2制备光热转化装置在正常太阳光照下拥有良好的光热转效果，能够有效的提升光热蒸发速率。
实施例中的稳态净蒸发速率的计算公式为：
式中：为t时刻(s)的瞬时蒸发速率(kg/m2·h)；
mt-50和mt+50分别指的是t-50和t+50两个时刻(s)的待蒸发水的质量 (kg)；
S为蒸发面积(m2)；
2)光热转化装置的循环测试
将实施例二所述的光热转化装置按照光热转化性能的测试方法进行循环测试，其结果如图7所示。从图7可以看出，使用实施例一制备得到的碳基光热转化薄膜所得到的光热转化装置，经过循环使用10次后光热转化性能基本维持在66％，从而说明实施例一制备得到的碳基光热转化膜拥有足够的结构强度和性能稳定性，并且可以以一种非常简单的实现形式(转化装置，实施例2)实现稳定的光热转化。
其中，对光热转化效率进行计算，计算公式如式1所示：
式1中：η是光热转化效率；
是水的质量减小速率，g/cm2·s；其中，mevp为水的质量变化(单位:g)，
s为碳基光热转化薄膜面积(单位为cm2)，
t为时间(单位:s)；
h1v是液态水在某一温度下变为气态水的显热和潜热之和，J/g；
qs是光照强度，W/m2。
根据式1可以计算得出，柔性自漂浮碳基光热转化膜直接漂浮于水面的光热转化效率可以达到66％左右。
实施例三碳基光热转化薄膜的制备
其与实施例一的区别仅在于，在得到铸膜液之后，旋涂(转速600转/ 分)得到碳基光热转化薄膜。
将上述所制备得到的碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率约0.99kg/m2·h，效率约为66％。
实施例四碳基光热转化薄膜的制备
其与实施例一的区别在于，使用碳纳米管(CNT)作为碳基材料得到碳基光热转化薄膜。
将上述所制备得到的碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率约0.95kg/m2·h，效率约为65％。
实施例五碳基光热转化薄膜的制备
其与实施例一的区别在于，使用活性炭作为碳基材料得到碳基光热转化薄膜。
将上述所制备得到的碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率约0.91kg/m2·h，效率约为63％。
实施例六碳基光热转化薄膜的制备
其与实施例一的区别在于，使用石墨作为碳基材料得到碳基光热转化薄膜。
将上述所制备得到的碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率约0.9kg/m2·h，效率约为63％。
实施例七碳基光热转化薄膜的制备
其与实施例一的区别在于，使用聚偏氟乙烯(PVDF)作为膜基材得到碳基光热转化薄膜。
将上述所制备得到的碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率约0.95kg/m2·h，效率约为65％。
实施例八碳基光热转化薄膜的制备
其与实施例一的区别在于，使用聚丙烯腈(PAN)作为膜基材得到碳基光热转化薄膜。
将上述所制备得到的碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率约0.95kg/m2·h，效率约为65％。
实施九碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与不同质量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入300mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；其中，所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量分别为100mg,200mg, 300mg和600mg；
(2)向上述混合物中加入溶剂12g N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌10小时，超声振荡30分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天脱泡，脱泡时间为24小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.3mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入35℃去离子水中，经历24小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率分别为0.68kg/m2·h，0.92kg/m2·h，0.99kg/m2·h和 0.98kg/m2·h。
实施例十碳基光热转化薄膜的制备
(1)将不同质量的醋酸纤维素(CA)与300mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 通过机械搅拌混匀后，加入300mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；其中，所述二醋酸纤维素(CA)的质量分别为0.5g, 0.75g,1g,1.25g,1.5g和3g；
(2)向上述混合物中加入溶剂12g N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌10小时，超声振荡30分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天脱泡，脱泡时间为24小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.3mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入35℃去离子水中，经历24小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率分别为0.77kg/m2·h，0.92kg/m2·h，0.99kg/m2· h,0.99kg/m2·h,0.98kg/m2·h和0.98kg/m2·h。
实施例十一碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与300mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入不同质量炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；其中，所述炭黑的质量分别为50mg,100mg,300mg,400mg和600mg；
(2)向上述混合物中加入溶剂12g N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌10小时，超声振荡30分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天脱泡。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.3mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入35℃去离子水中，经历24小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率分别为0.68kg/m2·h，0.79kg/m2·h,0.99kg/m2·h,， 0.99kg/m2·h和0.99kg/m2·h。
实施例十二带有吸水材料的光热转化装置的制备
将实施例一制备得到的碳基光热转化薄膜分别涂覆在滤纸和聚酯无纺布上，涂覆厚度为5mm，得到光热转化装置。
将上述所制备得到的各种光热转化装置直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率分别为1.01kg/m2·h和1.02kg/m2·h。
实施例十三包裹在支撑材料的光热转化装置的制备
将实施例十二使用滤纸制备得到的光热转化装置分别包裹在聚氯酯(PU)、聚苯乙烯(PS)和聚乙烯泡沫塑料，得到包裹在支撑材料的光热转化装置。
将上述所制备得到的各种光热转化装置直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率分别为1.35kg/m2·h，1.34kg/m2·h和1.38kg/m2·h。
实施例十四碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与50mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入300mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；
(2)向上述混合物中加入溶剂25g丙酮，机械搅拌15小时，超声振荡 30分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天后脱泡，脱泡时间为36小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.25mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入45℃去离子水中，经历40小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率为0.78kg/m2·h，效率约为49％。
实施例十五碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与30mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入300mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；
(2)向上述混合物中加入溶剂4gN,N-二甲基甲酰胺(DMF)，机械搅拌12小时，超声振荡60分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天后脱泡，脱泡时间为48小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以1mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入45℃去离子水中，经历30小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率为0.72kg/m2·h，效率约为43％。
实施例十六碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与50mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入300mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；
(2)向上述混合物中加入溶剂16.6gN,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌15小时，超声振荡30分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天后脱泡，脱泡时间为36小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.8mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入45℃去离子水中，经历40小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率为0.86kg/m2·h，效率约为54％。
实施例十七碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与300mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入300mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；
(2)向上述混合物中加入溶剂7gN,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌15小时，超声振荡50分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天后脱泡，脱泡时间为48小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.3mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入40℃去离子水中，经历30小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率为0.90kg/m2·h，效率约为58％。
实施例十八碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与300mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入1000mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；
(2)向上述混合物中加入溶剂12gN,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌10小时，超声振荡50分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天后脱泡，脱泡时间为36小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.5mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入30℃去离子水中，经历25小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率为0.99kg/m2·h，效率约为66％。
对比例一普通碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与40mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入300mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；
(2)向上述混合物中加入溶剂12gN,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌10小时，超声振荡30分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天后脱泡，脱泡时间为24小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.3mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入35℃去离子水中，经历24小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率为0.55kg/m2·h，效率约为36％。
对比例二普通碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与700mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入300mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；
(2)向上述混合物中加入溶剂12gN,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌10小时，超声振荡30分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天后脱泡，脱泡时间为24小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.3mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入35℃去离子水中，经历24小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率为0.89kg/m2·h，效率约为57％。
对比例三普通碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与300mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入40mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；
(2)向上述混合物中加入溶剂12gN,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌10小时，超声振荡30分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天后脱泡，脱泡时间为24小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.3mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入35℃去离子水中，经历24小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率为0.33kg/m2·h，效率约为24％。
对比例四普通碳基光热转化薄膜的制备
(1)将1g醋酸纤维素(CA)与300mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过机械搅拌混匀后，加入1100mg炭黑(CB)，继续搅拌混匀，得到三者的均匀混合物；
(2)向上述混合物中加入溶剂12gN,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，机械搅拌10小时，超声振荡30分钟，得到均匀的炭黑铸膜液；
(3)将上述铸膜液室温下静置3天后脱泡，脱泡时间为24小时。将脱泡后的炭黑铸膜液倾倒于光滑的玻璃板之上，使用刮膜机以0.3mm的厚度刮涂该玻璃板之上，将上述覆该铸膜液的玻璃板在空气中静置30s后，斜插进入35℃去离子水中，经历24小时相转化过程后得到自漂浮柔性碳基光热转化薄膜(CB-CA)。
将上述所制备得到的各种碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率为0.91kg/m2·h，效率约为61％。
对比例五普通碳基光热转化薄膜的制备
对比例五与实施例一的区别在于聚乙烯吡咯烷酮的量为0g时所得到的碳基光热转化薄膜。
将所得到的碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率约0kg/m2·h。
对比例六普通碳基光热转化薄膜的制备
对比例六与实施例一的区别在于炭黑的量为0g时所得到的碳基光热转化薄膜。
将所得到的碳基光热转化薄膜直接漂浮于水上，按照实施二中的转化装置的光热转化性能测试的方法以及循环测试的方法进行测定，得到稳态净蒸发速率约0.08kg/m2·h。
将实施例一和对比例五以及对比例六作对比可以看出，当聚乙烯吡咯烷酮或炭黑的量为0g时，所制备得到的碳基光热转化薄膜的稳态净蒸发速率极低，分别为0及0.08kg/m2·h，说明得到具有较高稳态净蒸发速率的光热转化薄膜需要碳基材料、膜基材以及聚乙烯吡咯烷酮作为原料制备。
将实施例一与对比例一和对比例二进行对比可以看出，当膜基材与PVP 的质量比例在1:0.05以下(即对比例一)，稳态蒸发速率和效率均较低，稳态蒸发速率仅为0.55kg/m2·h，效率约为36％，说明当膜基材与PVP的质量比例在1:0.05以上，所得到的光热转化薄膜在正常太阳光照下拥有良好的光热转化效果，能够有效的提升光热蒸发速率。而当膜基材与PVP的质量比例在1:0.6以上时(即对比例二)，其稳态净蒸发速率与实施例一相比也较低，效率也相对较低，并且由于使用PVP的量较大，使得制备碳基光热转化薄膜的生产成本提高。因此，从上述对比可以看出，本发明所得到的光热转化薄膜在膜基材与PVP的质量比例在1:0.05-0.6之间具有较高的稳态净蒸发速率。
将实施例一与对比例三和对比例四进行对比可以看出，当膜基材与碳基材料的质量比在1:0.05以下时(即对比例三)，所制备得到的碳基光热转化薄膜的稳态净蒸发速率较低，仅为0.33kg/m2·h，效率也相对较低，仅为24％，说明当膜基材与碳基材料的质量比在1:0.05以上，所得到的光热转化薄膜具有良好的光热转化效果；当膜基材与碳基材料的质量比例在1:1时以上时(即对比例四)，所得到的光热转化薄膜的稳态净蒸发速率为0.91kg/m2·h，效率为61％，虽然稳态净蒸发速率和实施例一的相差不大，但是由于使用碳基材料的量较大，则会加大制备碳基光热转化薄膜的生产成本。
实施例三至实施例五所制备得到的碳基光热转化薄膜在正常太阳光照下也拥有良好的光热转化效果，能够有效的提升光热蒸发速率。
综上所述，实施例一至实施例十八所得到的碳基光热转化薄膜拥有良好的光热转化效果，有效提升光热蒸发速率。
综上所述，本发明所述的碳基光热转化膜拥有足够的结构强度和性能稳定性，可以重复连续使用，具有优秀的光热转化性能，在1kW/m2的光照条件下，直接漂浮于水面的该柔性自漂浮碳基光热转化膜的光热转化效率能够达到 66％，且10次重复试验后仍能保持稳定的光热性能。该柔性自漂浮碳基光热转化膜不仅廉价、易于大规模制备，而且十分易于进一步加工和组合，具有广阔的应用前景。
以上所述，仅是本发明实施的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均需要包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种碳基光热转化薄膜，其包含碳基材料、膜基材和聚乙烯吡咯烷酮。
2.根据权利要求1所述的碳基光热转化薄膜，其中，所述碳基材料选自于炭黑、石墨、碳纳米管或活性炭中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的碳基光热转化薄膜，其中，所述膜基材选自于醋酸纤维素、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈或聚氯乙烯中的一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的碳基光热转化薄膜，其中，所述膜基材与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:0.05-0.6，优选为1:0.2-0.6，更优选为1：0.3-0.6；所述膜基材与碳基材料的质量比为1:0.05-1，优选为1:0.1-1，更优选为1:0.3-0.6。
5.权利要求1-4任一项所述的碳基光热转化薄膜，其通过包含下述步骤的方法制备得到：
(1)将碳基材料、膜基材及聚乙烯吡咯烷酮混合得到混合粉末；
(2)将步骤(1)所述的混合粉末溶于有机溶剂中，得到铸膜液；
(3)将步骤(2)所述的铸膜液进行涂覆得到。
6.权利要求1-4任一项所述的碳基光热转化薄膜的制备方法，其包含下述步骤：
(1)将碳基材料、膜基材及聚乙烯吡咯烷酮混合得到混合粉末；
(2)将步骤(1)所述的混合粉末溶于有机溶剂中，得到铸膜液；
(3)将步骤(2)所述的铸膜液进行涂覆得到。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，在步骤(2)中，所述有机溶剂选自于N,N-二甲基乙酰胺、丙酮或N,N-二甲基甲酰胺中的一种或两种以上。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其中，所述膜基材与有机溶剂的质量比为4-25:100，优选为6-14:100。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其中，在步骤(2)中，还包含将混合粉末进行搅拌、超声和脱泡的步骤。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，所述搅拌的时间为10-15小时。
11.根据权利要求9或10所述的制备方法，其中，所述超声的时间为30-60分钟。
12.根据权利要求9-11任一项所述的制备方法，其中，所述脱泡的时间为24-48小时，优选为36-48小时。
13.根据权利要求6-12任一项所述的制备方法，其中，在步骤(3)中，所述涂覆为刮涂或旋涂，优选的，所述刮涂的厚度为0.25-1毫米，较优选为0.3-0.8毫米；更优选的，所述旋涂的转速为600-800rpm。
14.根据权利要求6-13任一项所述的制备方法，其中，在步骤(3)中，还包含相转化的步骤。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其中，所述相转化的时间为20-40小时。
16.根据权利要求14或15所述的制备方法，其中，所述相转化在恒温水浴中进行，所述恒温的温度为20-45℃。
17.权利要求1-5任一项所述的碳基光热转化薄膜或权利要求6-16任一项所述的制备方法制备得到的碳基光热转化薄膜在太阳能光热转化装置中的应用。
18.一种光热转化装置，其包含权利要求1-5任一项所述的碳基光热转化薄膜或权利要求6-16任一项所述的制备方法制备得到的碳基光热转化薄膜。
19.根据权利要求18所述的光热转化装置，其中，所述光热转化装置还包含吸水材料，优选的，所述碳基光热转化薄膜涂覆于所述吸水材料之上得到涂覆有碳基光热转化薄膜的吸水材料，较优选的，所述吸水材料选自于聚酯无纺布、吸水纸、无尘纸或滤纸中的一种。
20.根据权利要求19所述的光热转化装置，其中，所述光热转化装置还包含支撑材料，所述涂覆有碳基光热转化薄膜的吸水材料包裹于所述支撑材料上，优选的，所述支撑材料选自于泡沫塑料或隔热材料，较优选的，所述泡沫塑料选自于聚氯酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料或者聚乙烯泡沫饲料中的一种。
21.权利要求18-20任一项所述的光热转化装置，其中，所述光热转化装置置于淡水、海水或乙醇中。
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