CN111171340A - 一种基于pva水凝胶的光热蒸发材料及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料及其制备和应用，包括：步骤1、分别配置聚乙烯醇PVA水溶液、纳米光热材料分散水溶液、戊二醛水溶液和低浓度盐酸溶液；步骤2、将步骤1所述的聚乙烯醇PVA水溶液、纳米光热材料分散水溶液、戊二醛水溶液和低浓度盐酸溶液按一定顺序在一定温度条件下充分混合搅拌；步骤3、将混合搅拌后的产物在未发生固化时转移至成型模具中，静置至交联反应完全，得到水凝胶材料。本发明的有益效果为：制备过程环保无污染、简单易行，制备成本低廉，所得的水凝胶可以作为一种理想的光热蒸发、太阳能海水淡化材料；本发明所制备的水凝胶具有较高的吸光效率、光热转化效率以及蒸发效率，可以应用在太阳能海水淡化领域。

Description

一种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料及其制备和应用
技术领域
本发明涉及水凝胶、光热蒸发及其制备和应用领域，尤其包括一种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料及其制备和应用。
背景技术
水凝胶是由亲水性高分子链交联后形成的三维空间网状结构，并在结构空隙中充满大量水的一种特殊分散体系。常见的高分子水凝胶包括聚乙烯醇(Poly(vinylalcohol),PVA)、聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)、壳聚糖(Chitosan,CS)和明胶等。其中，PVA水凝胶因具有含水率高、环保易降解、生物相容性好等诸多优点，成为当前被广泛研究的一种高分子水凝胶。然而，单一PVA构成的水凝胶交联度低、凝胶内部结构不均匀且缺乏有效的能量耗散机制，导致其力学性能相对较差，受到外力作用时水凝胶表面及其内部容易发生断裂。
为增强PVA水凝胶的机械性能，常用的制备改性方法有化学交联法和物理循环冷冻-解冻法等。其中，以戊二醛为交联剂，采用化学法制备PVA水凝胶的工艺相对简便、成胶周期短，PVA分子链间通过共价化学键交联于一体。然而化学交联法得到的凝胶虽然含水率高，但导水能力差，需要继续配合物理循环冷冻-解冻法扩大其多孔结构，获得高效的导水通道。相关文献有：魏端丽,姚炜钦,喻湘华等在武汉工程大学学报,2016,38(6):37-41.上刊载的《聚乙烯醇-壳聚糖复合海绵的制备及性能》；孙微,冯光峰,乔从德在齐鲁工业大学学报,2019,1-4.上刊载的《聚乙烯醇/明胶共混凝胶薄膜的制备及其溶胀性能研究》。
纳米材料掺杂水凝胶是指在水凝胶中掺杂一种或多种有独特性能的纳米粒子，并且纳米粒子可以均匀分散于水凝胶中，也称为复合水凝胶。此类凝胶可以表现出一些特殊的性能，如抗拉性、导电性、细胞亲和性等，也可以在一定程度上改善凝胶的力学性能，应用于电气器件、生物制药等领域。光热材料是一种可以将太阳能高效转化为热能的材料，是太阳能高效综合利用中重要的一环。相关文献有：薛雅楠,韩政学,李爽然等在材料导报,2019,154-160.上刊载的《纳米材料掺杂型聚乙烯醇双交联复合水凝胶的力-化学性质[J].》；张超，李倩倩，刘天西，郭和乐，封其春，刘思良在2018-10-16发表的《一种基于石墨烯/PVA水凝胶及其制备和应用》(申请号CN201810420857.7)。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料及其制备和应用；将纳米光热材料如氧化石墨烯、碳纳米管、聚吡咯等，均匀分散入水凝胶体系中，得到具有光热蒸发功能的复合水凝胶材料，应用于光热蒸发、太阳能海水淡化领域。
这种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备方法，包括如下步骤：
步骤1、分别配置聚乙烯醇PVA水溶液、纳米光热材料分散水溶液、戊二醛水溶液和低浓度盐酸溶液；
步骤2、将步骤1所述的聚乙烯醇PVA水溶液、纳米光热材料分散水溶液、戊二醛水溶液和低浓度盐酸溶液按一定顺序在一定温度条件下充分混合搅拌；
步骤3、将混合搅拌后的产物在未发生固化时转移至成型模具中，静置至交联反应完全，得到水凝胶材料；
步骤4、将得到的水凝胶材料与水交换除去盐酸后，进行物理循环冷冻-回温若干次，最终得到基于PVA水凝胶的光热蒸发材料。
作为优选，步骤1所述低浓度盐酸溶液作为催化剂；低浓度盐酸溶液为采用浓盐酸稀释至摩尔浓度为0.5～2.0mol/L的稀盐酸溶液。
作为优选，步骤1所述聚乙烯醇PVA水溶液为：将平均分子量在50000～100000之间的PVA按质量浓度为0.05～0.20g/mL加入到水中，在70～100摄氏度条件下超声搅拌至完全溶解后，冷却至室温，得到的无色透明均匀的粘性溶液。
作为优选，步骤1所述纳米光热材料分散水溶液为：将碳基光热纳米材料按质量浓度0.02～0.20g/mL通过超声或磁力搅拌方式均匀地分散到水中，得到分散均匀的黑色悬浊液；所述碳基光热纳米材料包括氧化石墨烯、碳纳米管和聚吡咯；所述碳基光热纳米材料为在250～2500nm的紫外-可见-近红外波长范围内均有高吸收的碳基光热纳米材料。
作为优选，步骤1所述戊二醛水溶液为：商业可得的戊二醛质量浓度为30％～70％的水溶液，或采用分析纯的戊二醛用去离子水稀释至质量浓度为30％～70％。
作为优选，步骤2所述聚乙烯醇PVA水溶液、纳米光热材料分散水溶液、戊二醛水溶液和低浓度盐酸溶液在室温下充分混合搅拌的顺序为：在聚乙烯醇PVA水溶液剧烈搅拌的条件下，加入催化量的低浓度盐酸溶液，再缓慢加入5～10％质量分数的纳米光热材料分散水溶液，得到黑色的悬浊粘液，最后加入2％～4％质量分数浓度30％～70％的戊二醛水溶液，将上述溶液充分混合搅拌，在未发生固化前转移至成型模具中，静置至交联反应完全。
作为优选，步骤4所述水凝胶材料与水交换除去盐酸的方式为：将水凝胶材料从模具中小心取出至更大的容器中，加入去离子水浸泡，测量浸出液的pH值，更换去离子水浸泡交换直至pH从6～8；
步骤4所述进行物理循环冷冻-回温的方式为将水凝胶材料表面的水小心吸干后，放置在滤纸上，放入冰箱冷冻室冷冻后取出，放入恒温水浴中回温；重复上述操作若干次，优选为10次，使得水凝胶材料内部具有更好的多孔吸水性能。
一种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备方法制备的基于PVA水凝胶的光热蒸发材料。
一种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料的应用，将基于PVA水凝胶的光热蒸发材料放置在匹配尺寸的泡沫隔热材料中，下部与淡水/海水接触，通过材料内部导水通道将水运输至材料蒸发表面，吸收太阳光加热水蒸发。
作为优选，所述泡沫隔热材料为：中心镂空尺寸与光热蒸发材料形状匹配的聚苯乙烯或聚氨酯疏水白色泡沫；具有很低的热导系数。
本发明的有益效果是：本发明提供一种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料及其制备和应用，制备过程环保无污染、简单易行，制备成本低廉，所得的水凝胶可以作为一种理想的光热蒸发、太阳能海水淡化材料；本发明所制备的水凝胶具有较高的吸光效率、光热转化效率以及蒸发效率，可以应用在太阳能海水淡化领域。
附图说明
图1为本发明中制备方法中凝胶交联化学反应示意图；
图2为本发明中基于PVA凝胶的光热蒸发材料制备方法示意图；
图3为本发明中在太阳光照下进行光热蒸发和海水淡化应用示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明将聚吡咯(Polypyrrole,Ppy)、氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)、碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)等纳米光热材料均匀分散入PVA与戊二醛交联形成的水凝胶中，制备得到可用于光热蒸发的复合材料。PVA与戊二醛交联水凝胶中的多孔网络结构可以形成良好的水通道，并且利用光热材料优良的吸光发热性能，将太阳能有效地转化为热能加热水份蒸发。
低浓度盐酸溶液作为催化剂；低浓度盐酸溶液为采用浓盐酸稀释至摩尔浓度为1mol/L的稀盐酸溶液。
聚乙烯醇PVA水溶液为：将平均分子量在50000～100000之间的PVA按质量浓度为0.05～0.20g/mL加入到水中，在70～100摄氏度条件下超声搅拌至完全溶解后，冷却至室温，得到的无色透明均匀的粘性溶液。
纳米光热材料分散水溶液为：将碳基光热纳米材料按质量浓度0.02～0.20g/mL通过超声或磁力搅拌方式均匀地分散到水中，得到分散均匀的黑色悬浊液。
碳基光热纳米材料包括氧化石墨烯、碳纳米管和聚吡咯；所述碳基光热纳米材料在250～2500nm的紫外-可见-近红外波长范围内均有很高吸收。
戊二醛水溶液为：商业可得的戊二醛质量浓度为30％～70％的水溶液，或采用分析纯的戊二醛用去离子水稀释至质量浓度为30％～70％。
聚乙烯醇PVA水溶液、纳米光热材料分散水溶液、戊二醛水溶液和低浓度盐酸溶液在室温下充分混合搅拌的顺序为：在聚乙烯醇PVA水溶液剧烈搅拌的条件下，加入催化量的低浓度盐酸溶液，再缓慢加入5～10％质量分数的纳米光热材料分散水溶液，得到黑色的悬浊粘液，最后加入2％～4％质量分数浓度30％～70％的戊二醛水溶液，将上述溶液充分混合搅拌，在未发生固化前转移至成型模具中，静置至交联反应完全。
水凝胶材料与水交换除去盐酸的方式为：将水凝胶材料从模具中小心取出至更大的容器中，加入去离子水浸泡，测量浸出液的pH值，更换去离子水浸泡交换直至近中性；进行物理循环冷冻-回温的方式为将水凝胶材料表面的水小心吸干后，放置在滤纸上，放入冰箱冷冻室冷冻后取出，放入恒温水浴中回温，反复多次。
一种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备方法制备的基于PVA水凝胶的光热蒸发材料。
一种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料的应用，将基于PVA水凝胶的光热蒸发材料放置在匹配尺寸的泡沫隔热材料中，下部与淡水/海水接触，通过材料内部导水通道将水运输至材料蒸发表面，吸收太阳光加热水蒸发。
所述泡沫隔热材料为：中心镂空尺寸与光热蒸发材料形状匹配的聚苯乙烯或聚氨酯疏水白色泡沫；具有很低的热导系数。
基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备实例如下：称取5g分子量为50000～100000之间的聚乙烯醇PVA超声加热至90摄氏度配置成50mL水溶液，静置冷却备用；称取1g Ppy/GO/CNT纳米光热材料超声搅拌分散入10mL水溶液；在搅拌条件下往PVA水溶液中缓慢加入5mL1mol/L稀盐酸溶液后，再加入纳米光热材料分散溶液5mL，最后加入625μL的50％戊二醛水溶液，室温下混合搅拌反应10分钟后(如图1所示发生交联反应)，静置12小时，得到水凝胶材料。
基于PVA水凝胶的光热蒸发材料多孔化制备实例如下：如图2所示的制备方法，将上述得到的水凝胶材料与去离子水交换浸泡20分钟，更换去离子水5次后，除去催化作用的盐酸；将凝胶放入冰箱中进行物理循环冷冻-回温10次，最终得到具有多孔性质的基于PVA水凝胶的光热蒸发材料。
基于PVA水凝胶的光热蒸发材料应用方法实例如下：使用模具切出直径为3cm的PVA水凝胶光热蒸发材料，放置在中空的泡沫隔热材料中，泡沫隔热材料为聚乙烯白色泡沫，中空直径也为3cm；光热蒸发材料下部与含盐量3.5％的海水接触，通过材料内部导水通道将水运输至材料蒸发表面，吸收太阳光加热水实现蒸发(蒸发应用装置如图3所示)；实验结果表明在1kW/m2的标准太阳光照射条件下，扣除了无光条件下的背景蒸发，PVA水凝胶光热蒸发材料的蒸发速率为1.4kg/m2*h。

Claims (10)

1.一种基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、分别配置聚乙烯醇PVA水溶液、纳米光热材料分散水溶液、戊二醛水溶液和低浓度盐酸溶液；
步骤2、将步骤1所述的聚乙烯醇PVA水溶液、纳米光热材料分散水溶液、戊二醛水溶液和低浓度盐酸溶液按一定顺序在一定温度条件下充分混合搅拌；
步骤3、将混合搅拌后的产物在未发生固化时转移至成型模具中，静置至交联反应完全，得到水凝胶材料；
步骤4、将得到的水凝胶材料与水交换除去盐酸后，进行物理循环冷冻-回温若干次，最终得到基于PVA水凝胶的光热蒸发材料。
2.根据权利要求1所述的基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备方法，其特征在于：步骤1所述低浓度盐酸溶液作为催化剂；低浓度盐酸溶液为采用浓盐酸稀释至摩尔浓度为0.5～2.0mol/L的稀盐酸溶液。
3.根据权利要求1所述的基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备方法，其特征在于，步骤1所述聚乙烯醇PVA水溶液为：将平均分子量在50000～100000之间的PVA按质量浓度为0.05～0.20g/mL加入到水中，在70～100摄氏度条件下超声搅拌至完全溶解后，冷却至室温，得到的无色透明均匀的粘性溶液。
4.根据权利要求1所述的基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备方法，其特征在于，步骤1所述纳米光热材料分散水溶液为：将碳基光热纳米材料按质量浓度0.02～0.20g/mL通过超声或磁力搅拌方式均匀地分散到水中，得到分散均匀的黑色悬浊液；所述碳基光热纳米材料包括氧化石墨烯、碳纳米管和聚吡咯；所述碳基光热纳米材料为在250～2500nm的紫外-可见-近红外波长范围内均有高吸收的碳基光热纳米材料。
5.根据权利要求1所述的基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备方法，其特征在于，步骤1所述戊二醛水溶液为：商业可得的戊二醛质量浓度为30％～70％的水溶液，或采用分析纯的戊二醛用去离子水稀释至质量浓度为30％～70％。
6.根据权利要求1所述的基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备方法，其特征在于，步骤2所述聚乙烯醇PVA水溶液、纳米光热材料分散水溶液、戊二醛水溶液和低浓度盐酸溶液在室温下充分混合搅拌的顺序为：在聚乙烯醇PVA水溶液剧烈搅拌的条件下，加入催化量的低浓度盐酸溶液，再缓慢加入5～10％质量分数的纳米光热材料分散水溶液，得到黑色的悬浊粘液，最后加入2％～4％质量分数浓度30％～70％的戊二醛水溶液，将上述溶液充分混合搅拌，在未发生固化前转移至成型模具中，静置至交联反应完全。
7.根据权利要求1所述的基于PVA水凝胶的光热蒸发材料制备方法，其特征在于：
步骤4所述水凝胶材料与水交换除去盐酸的方式为：将水凝胶材料从模具中小心取出至更大的容器中，加入去离子水浸泡，测量浸出液的pH值，更换去离子水浸泡交换直至pH从6～8；
步骤4所述进行物理循环冷冻-回温的方式为将水凝胶材料表面的水小心吸干后，放置在滤纸上，放入冰箱冷冻室冷冻后取出，放入恒温水浴中回温，反复多次。
8.一种如权利要求1所述制备方法制备的基于PVA水凝胶的光热蒸发材料。
9.一种如权利要求9所述基于PVA水凝胶的光热蒸发材料的应用，其特征在于：将基于PVA水凝胶的光热蒸发材料放置在匹配尺寸的泡沫隔热材料中，下部与淡水/海水接触，通过材料内部导水通道将水运输至材料蒸发表面，吸收太阳光加热水蒸发。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述泡沫隔热材料为：中心镂空尺寸与基于PVA水凝胶的光热蒸发材料形状匹配的聚苯乙烯或聚氨酯疏水白色泡沫。
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