CN112760822A - 可降解的光热转换膜材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可降解的光热转换膜材料及其制备方法，包括以下步骤：1、将聚乳酸溶解于有机混合溶剂中，搅拌均匀得到混合溶液；2、掺入致孔剂和采用离子交换法制备得到的纳米流体，搅拌得到纺丝液；3、利用纺丝液纺制纤维膜；4、将纤维膜进行水洗刻蚀，除去致孔剂，干燥得到多孔纤维膜；5、在多孔纤维膜表面喷涂具有光热效果的碳材料和疏水材料，得到可降解的光热转换膜材料。本发明利用了纳米流体在空气/聚合物界面具有较高的表面活性，有向聚合物纤维表面迁移趋势的特性，在除去致孔剂之后，纳米流体逐渐向孔洞内迁移最终被包埋在孔洞中，通过这种巧妙的结构，能够防止盐的聚集结晶析出，避免孔道的堵塞，提高膜的吸水性和抗盐性。

Description

可降解的光热转换膜材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及光热转换技术领域，具体涉及一种可降解的光热转换膜材料及其制备方法。
背景技术
随着人口的增长和水污染的严重，饮用水短缺已成为一个严重的全球性问题，尤其是在贫困地区。一直致力于开发从海水和废水中提取淡水的技术，然而，这些技术在实现高效、长期稳定、低成本和大规模生产方面仍面临巨大挑战。作为一种储量丰富、可持续发展的清洁能源，太阳能被收集并转化为热能用于蒸汽发电。由于现有的离子、有机物和细菌可以在经济、环保的过程中分离，太阳能驱动的水蒸发被认为是一个高度的有前景的净水技术。传统的水蒸汽发生系统需要许多光学集中器才能达到足够的加热温度，其缺点是效率低、投资大。在这方面，最近的研究集中在利用具有有效光吸收和光热转换能力的光热材料对界面水进行局部加热。纳米粒子如金，三氧化二钛和氧化铝被提议用于蒸汽生成和水净化化学稳定性差、成本高、收率低限制了其大规模应用。石墨烯、炭黑、碳纳米管等碳基材料具有宽带光吸收、高稳定性、低成本等优点，具有广阔的应用前景，是保证太阳能高效转化和实际应用于水净化的最重要前提。而光热膜具有结构简单、使用方便、成本低、效率高等优点，具有大规模生产水蒸汽和水净化的潜力。开发了碳纳米管复合膜、聚合物纳米纤维/炭黑、和纸基复合材料，并对其在海水淡化和水净化中的应用进行了研究，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可降解的光热转换膜材料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
可降解的光热转换膜材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将聚乳酸溶解于有机混合溶剂中，搅拌均匀得到混合溶液，所述混合溶液中聚乳酸的质量浓度为5-20％；
步骤2、在混合溶液中掺入质量浓度为10-35％的致孔剂后搅拌，至完全分散均匀，得到二次混合溶液；
步骤3、在二次混合溶剂中加入采用离子交换法制备得到的纳米流体，继续均匀搅拌，得到纺丝液；
步骤4、利用纺丝液纺制纤维膜；
步骤5、将纤维膜进行水洗刻蚀，除去制孔剂，干燥得到多孔纤维膜；
步骤6、在多孔纤维膜表面喷涂具有光热效果的碳材料；
步骤7、在上一步处理后的纤维膜外表面喷涂疏水材料，经干燥处理后得到可降解的光热转换膜材料。
进一步的，所述步骤1中的有机混合溶剂中包括三氯甲烷、DMF和丙酮中的任意一种或多种。
进一步的，所述步骤2中的致孔剂为聚氧化乙烯。
进一步的，所述步骤4中纺丝方式为静电纺丝、离心纺丝或熔融纺丝中的任意一种。
进一步的，所述步骤6中具有光热效果的碳材料包括活性炭、碳管、石墨烯和MXene中的任意一种或多种。
进一步的，所述步骤7中疏水材料为聚二甲基硅氧烷。
可降解的光热转换膜材料，由上述任一种方法制成。
本发明的有益效果为：本发明制得的可降解的光热转换膜材料为多孔纤维，纤维直径小，进而纤维的比表面积较大，孔隙率高，能够为碳基光热材料提供更多的负载位点，单根纤维中含有纳米流体，且孔周围也含有纳米流体，有利于提高光热转换效率。本发明利用了纳米流体在空气/聚合物界面具有较高的表面活性，有向聚合物纤维表面迁移的趋势的特性，使得在除去制孔剂之后，纳米流体逐渐迁移到光热转换膜的孔洞内，最终被包埋在孔洞中，由于纤维表面有纳米流体的存在，会使得水中的离子和类流体的冠状层中柔性长链(NPES)进行交换，由于交换是一个动态可持续的过程，从而能够防止盐的聚集结晶析出，避免造成孔道的堵塞，可提高膜的吸水性和抗盐性，在利用太阳能进行海水脱盐，以及水净化处理时，能阻止盐的堆积，避免造成孔堵塞，从而有较好的蒸发效率和拒盐率。同时原材料易得，使用后可生物降解，减少二次污染，整个制备流程简单，为海水脱盐处理提供了一种策略，具有较好的应用潜力。
附图说明
图1为T iO2纳米流体的制备流程图；
图2为本发明的低含量致孔剂的光热转换膜扫描电镜图；
图3为本发明的高含量致孔剂的光热转换膜扫描电镜图；
图4为本发明的光热转换膜透射电镜图；
图5为不同含量致孔剂水洗后膜，以及负载不同含量MXene的光热转换膜的力学性能测试图；
图6为一个太阳光照强度下，不同负载不同含量的MXene的海水质量随时间变化曲线，以及在有无光照条件，海水质量随时间变化曲线；
图7为一个太阳光照强度下，负载不同含量MXene膜蒸发海水的速率和效率。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
可降解的光热转换膜材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将聚乳酸溶解于有机混合溶剂中，搅拌均匀得到混合溶液，所述混合溶液中聚乳酸的质量浓度为5-20％；
步骤2、在混合溶液中掺入质量浓度为10-35％的致孔剂后搅拌，至完全分散均匀，得到二次混合溶液；
步骤3、在二次混合溶剂中加入采用离子交换法制备得到的纳米流体，继续均匀搅拌，得到纺丝液；
步骤4、利用纺丝液纺制纤维膜；
步骤5、将纤维膜进行水洗刻蚀，除去制孔剂，干燥得到多孔纤维膜；
步骤6、在多孔纤维膜表面喷涂具有光热效果的碳材料；
步骤7、在上一步处理后的纤维膜外表面喷涂疏水材料，经干燥处理后得到可降解的光热转换膜材料。
作为一种实施方式，所述步骤1中的有机混合溶剂中包括三氯甲烷、DMF和丙酮中的任意一种或多种。
作为一种实施方式，所述步骤2中的致孔剂为聚氧化乙烯。
作为一种实施方式，所述步骤4中纺丝方式为静电纺丝、离心纺丝或熔融纺丝中的一种。
作为一种实施方式，所述步骤6中具有光热效果的碳材料包括活性炭、碳管、石墨烯和MXene中的任意一种或多种。
作为一种实施方式，所述步骤7中疏水材料为聚二甲基硅氧烷。
作为一种实施方式，所述可降解的光热转换纤维膜为的纤维为多孔结构，且单根纤维中含有纳米流体。
可降解的光热转换膜材料，由上述方法制成。
所述采用离子交换法制备得到的纳米流体可以是T iO2、S iO2、炭黑、碳纳米管、埃洛石、石墨烯等纳米流体。如图1所示，为本实施例采用的TiO2纳米流体的制备流程图，类流体采用离子交换法制备，在二氧化钛纳米粒子表面先接枝DC5700，然后通过离子交换的方式，接枝NPES。由于纳米流体在空气/聚合物界面具有较高的表面活性，使得纳米流体具有向聚合物纤维表面迁移的趋势。在光热驱动淡化海水的过程中，海水中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、C l-等阴、阳离子在接触膜表面时，由于纤维表面有纳米流体的存在，会使得水中的离子和类流体的冠状层中柔性长链(NPES)进行交换，由于交换是一个动态可持续的过程，从而能够防止盐的聚集结晶析出，避免造成孔道的堵塞。
图2和图3分别为低含量、高含量致孔剂水洗刻蚀后，光热膜的扫描电镜图。由图2和图3可知，随着致孔剂含量的增加，纤维上孔的数量会增加，孔的直径也会变大，微孔的存在会产生毛细效应，有利于水的蒸发。
图4为光热膜的透射电镜图，可以看出在纤维上孔的周围有纳米流体的存在，验证了纳米流体在空气/聚合物界面具有较高的表面活性，有向聚合物纤维表面迁移的趋势，这种结构在海水淡化处理过程中，因离子交换能防止盐聚集而堵塞水蒸发的通道，因此可提高蒸发效率。
由图5可以看出随着致孔剂的增加，导致纤维上的孔的数量增加，进而使膜的力学强度下降；而随着MXene负载含量的增加，膜的强度的强度略微有增加。
如图6所示，在一个太阳光照下，随着负载的MXene含量提高,水体的损失量也不断增加,说明MXene的加入使膜的吸光性提高。但当MXene的含量为10mg时,水体蒸发量达到峰值。同时，随着蒸发速率的增加，对应的效率也随之增加。
如图7所示，在一个太阳光照下，随着负载的MXene含量提高,水体的损失量也不断增加,说明MXene的加入使膜的吸光性提高。但当MXene的含量为10mg时,水体蒸发量达到峰值。同时，随着蒸发速率的增加，对应的效率也随之增加。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.可降解的光热转换膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将聚乳酸溶解于有机混合溶剂中，搅拌均匀得到混合溶液，所述混合溶液中聚乳酸的质量浓度为5-20％；
步骤2、在混合溶液中掺入质量浓度为10-35％的致孔剂后搅拌，至完全分散均匀，得到二次混合溶液；
步骤3、在二次混合溶剂中加入采用离子交换法制备得到的纳米流体，继续均匀搅拌，得到纺丝液；
步骤4、利用纺丝液纺制纤维膜；
步骤5、将纤维膜进行水洗刻蚀，除去制孔剂，干燥得到多孔纤维膜；
步骤6、在多孔纤维膜表面喷涂具有光热效果的碳材料；
步骤7、在上一步处理后的纤维膜外表面喷涂疏水材料，经干燥处理后得到可降解的光热转换膜材料。
2.根据权利要求1所述的可降解的光热转换膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的有机混合溶剂中包括三氯甲烷、DMF和丙酮中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的可降解的光热转换膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的致孔剂为聚氧化乙烯。
4.根据权利要求1所述的可降解的光热转换膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中纺丝方式为静电纺丝、离心纺丝或熔融纺丝中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的可降解的光热转换膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤6中具有光热效果的碳材料包括活性炭、碳管、石墨烯和MXene中的任意一种或多种。
6.根据权利要求1所述的可降解的光热转换膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤7中疏水材料为聚二甲基硅氧烷。
7.可降解的光热转换膜材料，其特征在于，由上述权利要求1-6中任一种方法制成。
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