CN112961388B - 一种聚乳酸基的光热薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚乳酸基的光热薄膜及其制备方法，通过将聚乳酸和聚乳酸改性木质素按一定的质量比溶于挥发性有机溶剂中，之后静电纺丝技术将所得到的混合溶液制备成的基体膜，之后用喷涂技术将聚多巴胺改性的二硫化矾溶液喷涂在所述基体膜的两侧制备而成。通过本发明所获得的光热薄膜具有热稳定性以及更优异的光热转换能力，拓宽了其在太阳能界面蒸发领域和热电转换领域的应用。

Description

一种聚乳酸基的光热薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于功能薄膜材料领域，具体涉及一种聚乳酸基的光热薄膜及其制备方法。
背景技术
太阳能作为可持续性能源，在以前的文献报道中，光热转换材料可以利用太阳光产生热能进而进行界面蒸发以产生水蒸气，经过冷凝以产生清洁水，以解决饮用水问题。同时利用太阳能进行光-热-电转换也可以解决传统火力发电所带来的环境污染问题。迄今为止，在传统的光热材料例如：贵金属纳米颗粒，半导体材料，碳材料以及聚合物等都已被研究以提升太阳能蒸发效率。光热转换材料可以吸收太阳光，并且将其以热量的形式表现出来，该种能量可以用于界面蒸发产生清洁水以及热电。但是每种光热转换材料都有自身的缺陷，例如，贵金属纳米颗粒的窄光吸收范围，以及一些半导体材料的宽带隙宽度阻碍了它们在光热转换界面蒸发领域以及光-热-电转换领域的应用，因此选择合适的光热材料是提升太阳能光热转换效率的关键。
最近，界面蒸发技术引起了研究者们的极大兴趣，该种技术是将吸光材料漂浮于水中，吸收热量加热表面，即可进行高效水蒸发。但是由于光热材料大都呈现为颗粒状，无法制备成一个完整的蒸发系统，这样无疑会大大降低蒸发效率，将光热材料集成为界面蒸发器会大大提升其界面蒸发效率，选择合适的界面蒸发器的制备工艺以及原材料也非常重要。静电纺丝是一种可以对制备的薄膜纤维结构和直径进行的控制的技术，制备出的薄膜具有多孔以及比表面积大的优点，该种特点有利于界面蒸发过程当中的水运输。大多数界面蒸发器基体的原材料为石油基聚合物，这样不符合可持续发展理念。聚乳酸作为一种可持续性聚合物，由于其高强度和可生物降解性备受关注，但是其光热转换性能较差，无法单独作为界面蒸发器的原材料。迄今为止，已有研究者将静电纺丝技术应用于界面蒸发薄膜的制备并取得了一定的进展。例如Guo等人利用熔融纺丝技术将聚乳酸与WO2.72制备成界面蒸发器薄膜，但是直接将光热材料与基体材料混合并利用纺丝技术制备薄膜，这样会不可避免的会降低其机械性能，同时基体材料也会紧紧包裹住光热材料，这样会大大降低光热材料的光吸收性能从而降低光热转换效率。因此，合理的将聚乳酸与光热材料结合并应用于光热转换界面蒸发领域以及光-热电转换领域具有重大的科研意义以及应用价值。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种聚乳酸基的光热薄膜及其制备方法。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种聚乳酸基的光热薄膜，包括由聚乳酸和聚乳酸改性木质素组成的基体膜；和涂覆在所述基体膜两侧的聚多巴胺改性的二硫化矾表面薄膜。
作为本发明的进一步改进，所述基体膜的膜厚为0.062～0.069 mm。
作为本发明的进一步改进，所述基体膜中所述聚乳酸和所述聚乳酸改性木质素的质量比为9.5：0.5～9：1。
本发明还提出制备上述所述聚乳酸基的光热薄膜的方法，包括
基体膜制备：将聚乳酸和聚乳酸改性木质素按一定的质量比溶于挥发性有机溶剂中，之后静电纺丝技术将所得到的混合溶液制备成薄膜结构；
表面薄膜的制备：将聚多巴胺改性的二硫化矾按比例溶于挥发性有机溶剂中，之后采用喷涂技术将聚多巴胺改性的二硫化矾溶液喷涂在所述基体膜的两侧。
作为本发明的进一步改进，所述聚乳酸和所述聚乳酸改性木质素的质量比为9.5：0.5～9：1。
作为本发明的进一步改进，所述聚乳酸和所述聚乳酸改性木质素的总浓度为0.015 g/mL～0.03 g/mL。
作为本发明的进一步改进，所述聚多巴胺改性的二硫化矾的浓度为0.2 wt%～0.5wt%。
作为本发明的进一步改进，所述聚多巴胺改性的二硫化矾单侧的喷涂量为0.02g/cm2 ～0.04g/cm2。
作为本发明的进一步改进，所述聚多巴胺改性的二硫化矾的制备过程为：将多巴胺、三（羟甲基）氨基甲烷按比例加入溶有二硫化矾的水溶液，在20℃～30℃下反应至少12h后经清洗、真空抽滤、干燥得到聚多巴胺改性的二硫化矾。
作为本发明的进一步改进，所述多巴胺、所述三（羟甲基）氨基甲烷和所述二硫化矾的质量比为3：2.5：4～5：4.5：6。
本发明的有益效果：
（1）本发明制备的多功能聚乳酸基光热薄膜，相比于纯聚乳酸薄膜具有更高的热稳定性以及更优异的光热转换能力，拓宽了其在太阳能界面蒸发领域和热电转换领域的应用；
（2）本发明大大的拓宽了聚乳酸纺丝薄膜的应用范围，在聚乳酸改性木质素（LA）以及聚多巴胺改性二硫化矾（VS2@PDA）的存在下，极大的提升了纺丝薄膜的热稳定性和光热转换性能，为聚乳酸的多功能化应用开辟了新的方向。
附图说明
图1为对比例1，2和实施例的样品的TG曲线图；
图2为对比例1，2和实施例在1 kW m-2光源照射下表面温度随着时间的变化曲线；
图3为对比例1和实施例在1 kW m-2光源照射下水蒸发重量随着时间的变化曲线；
图4为对比例的样品在结合热电片与纯热电片在1kW m-2光源照射下所产生的电压随着时间的变化曲线，以及实施例3的样品在1.5 kW m-2光源照射下所产生的电压随着时间的变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例
（1）聚乳酸改性木质素（LA）的制备
将200 mg木质素，2.88 g丙交酯以及0.0288 g辛酸亚锡加入到50 mL的无水甲苯中，并移至三颈瓶中在氮气氛围下加热到130℃并保持24h。反应结束后加入甲醇得到沉淀物，并通过真空抽滤装置去除溶剂，将得到的产物置于60℃的真空烘箱中干燥24h得到聚乳酸改性木质素（LA）。
（2）聚多巴胺改性二硫化矾（VS2@PDA）的制备
将0.55 g正钒酸钠（Na3VO4）与1.13g 硫代乙酰胺加入到40 mL的去离子水当中去超声得到均质溶液，然后放入水热釜中并在160℃下反应24h，用去离子水反复清洗，经过真空抽滤和干燥得到二硫化矾粉末（VS2）。接着将0.2 g多巴胺以及0.1815 g三（羟甲基）氨基甲烷加入到100 mL的二硫化矾（VS2）水溶液（0.25 wt%）中，并在室温下反应24h，用去离子水反复清洗，经过真空抽滤和干燥得到聚多巴胺改性的二硫化矾（VS2@PDA）。
（3）多功能聚乳酸基光热薄膜的制备
将聚乳酸（PLA），聚乳酸改性木质素（LA）（质量比为9.5:0.5）溶于三氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺（体积比为8：2）的混合溶液中，溶质的浓度为0.025g/mL。然后利用静电纺丝技术制备聚乳酸/聚乳酸改性木质素（PLA/LA）复合薄膜作为基体薄膜，该基体薄膜的厚度为0.066 mm。
配置35 mL聚多巴胺改性二硫化矾（VS2@PDA）的乙醇溶液（0.4 wt%），利用喷涂技术按0.035g/cm2（单侧）将其均匀喷涂于基体薄膜两侧，并置于室温进行挥发干燥得到VS2@PDA-PLA/LA薄膜。
对比例：
对比例1：将聚乳酸（PLA）采用实施例中步骤（3）中制备基体薄膜相同的方法（包括溶质的总浓度、薄膜的厚度）制备纺丝薄膜，并将该纺丝薄膜用作光热薄膜。
对比例2：采用实施例中所制作的基体薄膜直接用作光热薄膜。
性能测试
（1）热稳定性能测试：如图1所示，聚乳酸（PLA）在211℃左右开始降解，当加入了聚乳酸改性木质素（LA）之后，聚乳酸/聚乳酸改性木质素（PLA/LA）的初始分解温度提高到252℃，这表明聚乳酸改性木质素（PLA/LA）可以提高聚乳酸（PLA）热稳定性。 进一步的，VS2@PDA-PLA/LA膜的初始分解温度（290℃）高于聚乳酸（PLA）和聚乳酸/聚乳酸改性木质素（PLA/LA）膜，这表明喷涂的聚多巴胺改性二硫化矾（VS2 @ PDA）能够进一步提高薄膜的热稳定性。
（2）光热转换性能测试：如图2所示的样品在1kW m-2光强度照射下温度随着时间的变化图，实施例的光热薄膜材料在1kW m-2光强度的照射下，在900s内VS2@ PDA-PLA/LA膜上升到54.5 ℃，相比于纯聚乳酸（PLA）与聚乳酸/聚乳酸改性木质素（PLA/LA）的31.1 ℃和34.3 ℃获得了较大提升，证明了本发明的聚乳酸复合材料具有良好的光热转换性能。同时根据图3显示结果，在1 kW m-2光强度照射下， VS2@ PDA-PLA/LA膜的水蒸发速率达到1.32Kg m-2 h-1，相比于聚乳酸（PLA）得到了极大的提升。
（3）光电性能测试：如图4，将VS2@ PDA-PLA/LA膜与热电片结合在一起，在1 kW m-2光强度照射下光照强度下可产生的最大开路电压为75 mV, 相比于纯热电片的最大开路电压（17.5 mV）。当光照强度提高至1.5 kW m-2时，最大开路电压更是达到了130 mV。
本发明将聚乳酸（PLA）与聚乳酸改性木质素（LA）作为基体，再将聚多巴胺改性二硫化矾（VS2@PDA）引入，不仅赋予聚乳酸优异的热稳定性而且具有优异的光热转换性能，极大地拓展了聚乳酸的在太阳能界面蒸发和光电转换领域的应用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种聚乳酸基的光热薄膜，其特征在于：包括
由聚乳酸和聚乳酸改性木质素组成的基体膜；
和
涂覆在所述基体膜两侧的聚多巴胺改性的二硫化矾表面薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种聚乳酸基的光热薄膜，其特征在于：所述基体膜的膜厚为0.062～0.069 mm。
3.根据权利要求1所述的一种聚乳酸基的光热薄膜，其特征在于：所述基体膜中所述聚乳酸和所述聚乳酸改性木质素的质量比为9.5：0.5～9：1。
4.制备权利要求1-3任一项所述的一种聚乳酸基的光热薄膜的方法，其特征在于，包括
基体膜制备：将聚乳酸和聚乳酸改性木质素按一定的质量比溶于挥发性有机溶剂中，之后静电纺丝技术将所得到的混合溶液制备成薄膜结构；
表面薄膜的制备：将聚多巴胺改性的二硫化矾按比例溶于挥发性有机溶剂中，之后采用喷涂技术将聚多巴胺改性的二硫化矾溶液喷涂在所述基体膜的两侧。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述聚乳酸和所述聚乳酸改性木质素的质量比为9.5：0.5～9：1。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述聚乳酸和所述聚乳酸改性木质素的总浓度为0.015 g/mL～0.03 g/mL。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述聚多巴胺改性的二硫化矾的浓度为0.2 wt%～0.5 wt%。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述聚多巴胺改性的二硫化矾单侧的喷涂量为0.02 g/cm2 ～0.04g/cm2。
9.根据权利要求4、7或8任一项所述的制备方法，其特征在于：所述聚多巴胺改性的二硫化矾的制备过程为：将多巴胺、三（羟甲基）氨基甲烷按比例加入溶有二硫化矾的水溶液，在20℃～30℃下反应至少12h后经清洗、真空抽滤、干燥得到聚多巴胺改性的二硫化矾。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述多巴胺、所述三（羟甲基）氨基甲烷和所述二硫化矾的质量比为3：2.5：4～5：4.5：6。
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