CN113019867A - 一种基于喷涂法制备光热膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及运用喷涂法制备光热膜的方法，属于光热膜材料制备技术领域。制备方法为将光热材料溶解在溶剂中，充分混匀后，得到光热材料分散液；将光热材料分散液通过喷枪入料口加入到喷枪中，然后将光热材料分散液喷涂至基底上，所述光热材料分散液中的溶剂在喷涂的过程中部分挥发，光热材料利用喷涂的冲击力在基底上附着形成喷涂膜；将得到的喷涂膜进行干燥，或者进行还原后再干燥，即得到包括基底和喷涂膜的光热膜。本发明所述的喷涂方法制备光热膜的方法，制备工艺简单、成本低廉、设备要求不高，适用于大规模生产，且具有较高的水蒸发效率。本发明可以根据蒸发条件的需要改变光热膜所需基底材料和光热材料，制备的光热膜具有很广泛的应用范围。

Description

一种基于喷涂法制备光热膜的方法
技术领域
本发明属于光热膜材料制备技术领域，更具体地，涉及运用喷涂法制备光热膜的方法。
背景技术
随着人类文明的进步，淡水资源被大量的污染和消耗，这使得淡水缺乏成为目前我们面临的最严重的全球问题之一。因此多种方法和技术被用于水处理，其中包括反渗透和超滤技术，但是这些技术能量消耗大，成本高，不适合大面积普遍使用。
太阳能驱动水蒸发被认为是一种绿色的、可再生的制备淡水的技术，可以有效的缓解淡水资源短缺的问题。现存的太阳能蒸发技术通常涉及到加热体相水，使得大量的热量损失到环境中，导致蒸发效率低下。光热界面水蒸发技术中将具有双层结构的光热膜用于水蒸发，不仅可以提高光热转化效率，也可以降低热量向体相水的传导蒸发效率。但是目前界面光热水蒸发所用的光热膜的制备中也存在一些问题，如一些光热膜的制备需要复杂的制备工艺，(如日本东北大学Mingwei Chen课题组在800℃或950℃的高温下以苯和吡咯为碳源和氮源，用化学气相沉积法沉积于含有纳米孔Ni板上，然后用盐酸将化学气相沉积处理过的含有纳米孔Ni板中的Ni溶解掉，得到用于蒸发的光热膜。南京大学的朱嘉课题组首先通过阳极氧化法将铝箔制备成纳米多孔的阳极氧化铝膜，然后运用物理气相沉积的方法将铝沉积于阳极氧化铝膜表面，得到用于水蒸发的光热膜。美国华盛顿大学的SrikanthSingamaneni课题组将含有汉森葡糖酸杆菌培养基和GO混合，加入相应的细菌培养液，将得到的含有汉森葡糖酸杆菌的混合液转移到培养皿中，室温下培养5天，最后在气/液界面形成细菌纳米纤维素/GO膜。接着在形成的细菌纳米纤维素/GO膜上加入7ml的细菌生长液，室温下培养5天，得到用于水蒸发的具有双层结构的细菌纳米纤维素-细菌纳米纤维素/GO膜。)一些光热膜制备中需要用到昂贵的光热材料(美国马里兰大学的胡良斌课题组用将木头浸入PdCl2水溶液中，80℃条件下加热，得到钯基等离子体木材，将该材料用于水蒸发)。一些光热膜中所用的光热材料需要复杂的、特殊的制备技术(北京大学黄富强课题组将TiO2、铝粉和NaCl-AlCl3共晶物混合，然后经过研磨、210℃条件下高压反应釜中反应20h以及一系列的后续处理得到黑色二氧化钛纳米笼光热材料。浙江大学叶苗苗课题组将FeCl3和MnCl2溶于乙二醇中，并向其中加入醋酸钠和聚乙二醇，充分搅拌得到混合液。将混合液加入倒入高压反应釜中，200℃下反应8小时得到用作光热材料的MFe2O4微球。)。上述这些问题大大的限制了光热膜的大规模生产和应用。
因此，开发一种造价低、工艺简单、可大规模制备光热膜的技术并将其应用于水蒸发具有很重要的意义。
发明内容
本发明解决了现有技术因工艺复杂、造价高而限制光热膜大规模生产应用的技术不足，提供了一种运用喷涂法制备光热膜的方法，将光热材料分散液喷涂至基底上，可将制备的光热膜大规模生产应用于水蒸发中，实现海水淡化以及污水净化，克服了现有技术因造价高、工艺复杂而限制光热膜大规模生产应用的技术缺陷，该发明工艺简单，可操作性强，可用于大规模生产光热膜，且得到的光热膜具有较高的蒸发效率。
根据本发明的目的，提供了一种基于喷涂法制备光热膜的方法，包括以下步骤：
(1)将光热材料溶解在溶剂中，充分混匀后，得到光热材料分散液；
(2)将步骤(1)得到的光热材料分散液通过喷枪入料口加入到喷枪中，然后将光热材料分散液喷涂至基底上，所述光热材料分散液中的溶剂在喷涂的过程中部分挥发，光热材料利用喷涂的冲击力在基底上附着形成喷涂膜；
(3)将步骤(2)得到的喷涂膜进行干燥，或者进行还原后再干燥，即得到包括基底和喷涂膜的光热膜。
优选地，所述光热材料为同时具有催化性能和光热性能的光热材料。
优选地，所述同时具有催化性能和光热性能的光热材料为Fe3O4纳米粒子、石墨化的C3N4、三氧化钨纳米粒子、Au纳米粒子、MXene材料、石墨化的二氧化钛纳米粒子或石墨化的氧化锌纳米粒子。
优选地，所述光热材料为碳纳米管、氧化钼纳米粒子、有机框架结构材料、聚吡咯粒子、聚多巴胺纳米粒子、聚苯胺纳米粒子、有机物碳化材料或石墨烯。
优选地，所述基底为纤维素膜、静电纺丝膜、不锈钢网、无尘纸、布料、聚偏二氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、醋酸纤维素膜、氧化铝膜、聚氨酯膜、三聚氰胺泡沫、滤纸、聚乙烯亚胺膜、聚酰胺纤维膜、陶瓷纤维膜或木头。
优选地，所述喷枪的喷料口与基底之间的距离为5cm-100cm。
优选地，所述喷涂的过程中，所用喷涂压强为10kPa-10MPa。
优选地，所述光热材料分散液中光热材料的浓度为0.5mg/mL-30mg/mL。
优选地，所述喷涂的过程中，喷枪和/或基底处于移动状态；
优选地，所述移动的形式为直线往返运动或者旋转运动。
优选地，所述直线往返运动的速度为10-100米/小时，所述旋转运动的速度为0.4-2千转/分钟。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)针对现有技术中存在的技术问题，本发明开发了一种喷涂法制备光热膜的方法，通过将光热材料喷涂于基底上，制备了用于水蒸发的光热膜。本方法工艺简单，造价低，可操作性强，光热材料和基底材料可选择性多，解决了光热膜制备工艺复杂、光热材料制备技术要求高、光热材料用料昂贵的问题，可实现光热膜的简易、大规模的生产，这将对水蒸发制备淡水提供技术基础，具有重要的现实意义。
(2)本发明一种基于喷涂法制备光热膜方法制备得到的光热膜具有双层结构，上层的光热材料可以提高光的吸收性能，下层的基底用于支撑光热材料、降低热量由光热层向水体传导和将水体的水导到光热层上。所以该喷涂方法制备的光热膜在太阳光驱动界面蒸发时具有较高的蒸发效率。
(3)本发明提供的一种基于喷涂法制备光热膜的制备方法，通过改变光热材料种类和基底的种类，可有效制备不同的光热膜，进而满足不同条件下水蒸发的要求。当污染水中有机污染物较多的时候，可以选同时具有催化性能和光热性能的材料作光热材料，选耐有机腐蚀的基底。当污染水中微生物较多时，可以选耐生物腐蚀的光热材料和基底制备光热膜。当用于酸性较强的污染水蒸发时，可以用耐酸的基底。当用于碱性较强的污染水蒸发时，可以用耐碱性的基底。
(4)本发明优选地，喷枪的喷料口与基底之间的距离为5cm-100cm，通过调节距离可以控制单次喷涂的面积和调控溶液中溶剂的挥发效果，距离越大单次喷涂的面积越大，距离越大，溶剂经过的距离越长，挥发越充分。
(5)本发明优选地，光热材料分散液中光热材料的浓度为0.5mg/mL-30mg/mL，在此浓度下，光热材料溶液的浓度不会太高或太低，浓度太高会使溶液的粘度太大，影响喷涂效果；浓度太低，则单位体积内的溶剂量增多，光热材料的量降低，不仅会增加喷涂次数也可能会导致喷涂出来的溶液到基底上后溶剂挥发不充分。
(6)本发明优选地，喷枪和/或基底处于移动状态，直线往返运动的速度为10-100米/小时，旋转运动的速度为0.4-2千转/分钟，通过移动喷枪或基底，可使光热材料在基地上均匀的分散，得到较为均匀的光热膜。
附图说明
图1是喷涂法制备光热膜的简易制备流程图。
图2是一定浓度的聚吡咯(PPy)纳米粒子分散液喷涂于布料上得到的光热膜的光学照片，图3该光热膜的紫外可见红外反射光谱图，图4是该光热膜在1kw/m2光强下水质量随光照时间的变化曲线。
图5是一定浓度的碳纳米管(CNT)分散液喷涂于布料上得到的光热膜的光学照片，图6该光热膜的紫外可见红外反射光谱图，图7是该光热膜在1kw/m2光强下水质量随光照时间的变化曲线。
图8是一定浓度的金(Au)纳米粒子分散液喷涂于布料上制得到的光热膜的光学照片，图9该光热膜的紫外可见红外反射光谱图，图10是该光热膜在1kw/m2光强下水质量随光照时间的变化曲线。
图11是一定浓度的氧化石墨烯(GO)分散液喷涂于无尘纸上经过还原后得到的光热膜的光学照片，图12该光热膜的紫外可见红外反射光谱图，图13是该光热膜在1kw/m2光强下水质量随光照时间的变化曲线。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示为本发明实施例所提供的一种基于喷涂法制备光热膜制备方法的流程图，将光热材料加入到相应的溶剂中，利用搅拌和超声得到具有一定浓度的均匀的分散液。将一定体积的含有光热材料的均匀分散液通过喷枪的入料口加入到喷枪中，在合适的压强(P)和距离(d)下，移动喷枪(或基底)，将分散液喷涂于合适的基底上，通过一次或者多次喷涂，得到初步的光热膜。对光热膜进行相应的后处理，得到可用于水蒸发的光热膜。
实施例1
将浓度为10mg/mL的聚吡咯纳米粒子的乙醇分散液加入到喷枪中，在15ka的压强(P)和15cm的距离(d)下，固定喷枪，将布料(基底材料)固定于台式匀胶机上，调节匀胶机转速为0.4千转/分钟，将5mL分散液喷涂于布料上，得到初步的光热膜。将得到的光热膜置于鼓风干燥箱中，80℃的条件下进行干燥，最后得到喷有聚吡咯纳米粒子的光热膜。
图2是本发明实施例提供的光热膜的光学照片，图3为紫外可见红外反射光谱，图4为1kw/m2光强下水质量随光照时间的变化曲线。从图2中可看到光热膜是黑色的，说明膜具有很好的光吸收性能，图3中膜对光的反射率仅仅为5％，证明膜具有很好的光吸收性能。图4中的曲线变化也说明该光热膜具有良好蒸发性能，最终的蒸发效率可以达到83.9％。
实施例2
将浓度为2.8mg/mL的氧化处理的碳纳米管的乙醇分散液加入到喷枪中，在15ka的压强(P)和15cm的距离(d)下，固定喷枪，将布料(基底材料)固定于台式匀胶机上，调节匀胶机转速为0.4千转/分钟，将7ml的分散液喷涂于布料上，得到初步的光热膜。将得到的光热膜置于鼓风干燥箱中，80℃的条件下进行干燥，最后得到喷有氧化处理的碳纳米管的光热膜。
图5是本发明实施例提供的光热膜的光学照片，图6为紫外可见红外反射光谱图，图7为1kw/m2光强下水质量随光照时间的变化曲线。从图5中可看到光热膜是黑色的，说明膜具有很好的光吸收性能，图6中膜对光的反射率较低约为5％，证明膜具有很好的光吸收性能。图7中的曲线变化也说明该光热膜具有良好蒸发性能，最终的蒸发效率可以达到87.1％。
实施例3
将浓度为5mg/mL的金(Au)纳米粒子的乙醇分散液加入到喷枪中，在15ka的压强(P)和15cm的距离(d)下，固定喷枪，将布料(基底材料)固定于台式匀胶机上，调节匀胶机转速为0.4千转/分钟，将10mL分散液喷涂于布料上，经过多次喷涂，得到初步的光热膜。将得到的光热膜置于鼓风干燥箱中，80℃的条件下进行干燥，最后得到喷有金(Au)纳米粒子的光热膜。
图8是本发明实施例提供的光热膜的光学照片，图9为紫外可见红外反射光谱图，图10为1kw/m2光强下水质量随光照时间的变化曲线。从图8中可看到光热膜具有较深的颜色，说明膜具有较高的光吸收性能，图9中膜对光的反射率较低约为7％，证明膜具有很好的光吸收性能。图10中的曲线变化也说明该光热膜具有良好蒸发性能，最终的蒸发效率可以达到80.0％。
实施例4
将浓度为3mg/mL的氧化石墨烯的乙醇分散液加入到喷枪中，在140ka的压强(P)和25cm的距离(d)下，固定喷枪，将无尘纸(基底材料)固定于台式匀胶机上，调节匀胶机转速为0.4千转/分钟，将8mL分散液喷涂于无尘纸(基底材料)上，得到初步的光热膜。将得到的光热膜置于鼓风干燥箱中，90℃的条件下，用HI进行还原。还原后的膜用乙醇清洗几次，然后置于鼓风干燥箱中，80℃的条件下进行干燥，最后得到以还原的氧化石墨烯(rGO)作为光热材料的光热膜。
图11是本发明实施例提供的光热膜的光学照片，图12为紫外可见红外反射光谱图，图13为1kw/m2光强下水质量随光照时间的变化曲线。从图11中可见光热膜具有挺深的颜色，说明膜具有较好的光吸收性能，图12中膜对整个光谱的反射率较低约为9％，证明膜具有较好的光吸收性能。图13中的曲线变化也说明该光热膜具有良好蒸发性能，最终的蒸发效率可以达到75.2％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于喷涂法制备光热膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将光热材料溶解在溶剂中，充分混匀后，得到光热材料分散液；
(2)将步骤(1)得到的光热材料分散液通过喷枪入料口加入到喷枪中，然后将光热材料分散液喷涂至基底上，所述光热材料分散液中的溶剂在喷涂的过程中部分挥发，光热材料利用喷涂的冲击力在基底上附着形成喷涂膜；
(3)将步骤(2)得到的喷涂膜进行干燥，或者进行还原后再干燥，即得到包括基底和喷涂膜的光热膜。
2.如权利要求1所述的基于喷涂法制备光热膜的方法，其特征在于，所述光热材料为同时具有催化性能和光热性能的光热材料。
3.如权利要求2所述的基于喷涂法制备光热膜的方法，其特征在于，所述同时具有催化性能和光热性能的光热材料为Fe3O4纳米粒子、石墨化的C3N4、三氧化钨纳米粒子、Au纳米粒子、MXene材料、石墨化的二氧化钛纳米粒子或石墨化的氧化锌纳米粒子。
4.如权利要求1所述的基于喷涂法制备光热膜的方法，其特征在于，所述光热材料为碳纳米管、氧化钼纳米粒子、有机框架结构材料、聚吡咯粒子、聚多巴胺纳米粒子、聚苯胺纳米粒子、有机物碳化材料或石墨烯。
5.如权利要求1所述的基于喷涂法制备光热膜的方法，其特征在于，所述基底为纤维素膜、静电纺丝膜、不锈钢网、无尘纸、布料、聚偏二氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、醋酸纤维素膜、氧化铝膜、聚氨酯膜、三聚氰胺泡沫、滤纸、聚乙烯亚胺膜、聚酰胺纤维膜、陶瓷纤维膜或木头。
6.如权利要求1所述的基于喷涂法制备光热膜的方法，其特征在于，所述喷枪的喷料口与基底之间的距离为5cm-100cm。
7.如权利要求1所述的基于喷涂法制备光热膜的方法，其特征在于，所述喷涂的过程中，所用喷涂压强为10kPa-10 MPa。
8.如权利要求1所述的基于喷涂法制备光热膜的方法，其特征在于，所述光热材料分散液中光热材料的浓度为0.5mg/mL-30mg/mL。
9.如权利要求1所述的基于喷涂法制备光热膜的方法，其特征在于，所述喷涂的过程中，喷枪和/或基底处于移动状态；
优选地，所述移动的形式为直线往返运动或者旋转运动。
10.如权利要求9所述的基于喷涂法制备光热膜的方法，其特征在于，所述直线往返运动的速度为10-100米/小时，所述旋转运动的速度为0.4-2千转/分钟。
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