CN113527828B - 一种两性聚电解质光热水凝胶、其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功能高分子材料领域，更具体地，涉及一种两性聚电解质光热水凝胶、其制备和应用。该两性聚电解质光热水凝胶包括两性聚电解质水凝胶和光热材料，其中所述光热材料分散在所述两性聚电解质水凝胶中；该两性聚电解质光热水凝胶由两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料混合物通过共聚合得到。本发明利用两性聚电解质水凝胶具有的防生物污染能力，克服了传统光热蒸汽转化材料在处理高浓盐水、海水、工业废水等污水时材料表面易污染的缺点，延长其在光热蒸汽转化应用中的使用寿命。

Description

一种两性聚电解质光热水凝胶、其制备和应用
技术领域
本发明属于功能高分子材料领域，更具体地，涉及一种两性聚电解质光热水凝胶、其制备和应用。
背景技术
目前，全球四分之一的人口面临着水资源短缺问题，水资源短缺问题也影响到了很多领域的运作和发展。近年来，太阳能已经被用来光热产水、光热发电等诸多领域。其中，界面太阳能加热蒸发水技术由于具有解决水污染和淡水资源匮乏的巨大潜力，并且其效率高、成本低、易操作等优势得到科研人员的关注。
在界面太阳能加热蒸发水领域，光热转化材料是实现高效率太阳能-热能转化的关键。目前，研究者们关注最多的光热转化材料是金属和半导体类、碳基材料及其复合材料，虽然这些材料具备较好的光学吸收，在太阳能收集利用方面有很大的潜力，但在利用它们进行长时间的污水处理和海水淡化等实际操作时，传统光转换材料难免会暴露稳定性差、盐结垢、微生物污染等缺点。因此，开发一种防污染、可大规模制备光热蒸汽产生材料的技术并将其应用于水蒸发具有很重要的意义。
水凝胶光热材料基于水凝胶的三维网络结构和亲水特性，在界面加热蒸发水师时能提供强大的供水能力，可以有效抑制蒸发界面处因盐溶液过饱和导致的盐结晶问题。Liu等利用合成的水凝胶基光热材料实现了高效地蒸发性能并具有良好的海水淡化能力，然而，该水凝胶基光热材料在用于水蒸发过程中防污性能和长期稳定性较差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种两性聚电解质光热水凝胶、其制备和应用，其由两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料混合物通过共聚合得到，由于两性聚电解质极强的水化能力从而实现光热材料水蒸发过程中的防污功能，做到真正的环保高效的光热水凝胶，由此解决现有技术的水凝胶基光热材料用于水蒸发过程中防污性能较差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种两性聚电解质光热水凝胶，包括两性聚电解质水凝胶和光热材料，其中所述光热材料分散在所述两性聚电解质水凝胶中；
该两性聚电解质光热水凝胶由两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料混合物通过共聚合得到。
优选地，所述光热材料为聚吡咯纳米粒子、聚苯胺纳米粒子、炭黑、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、金纳米粒子和银纳米粒子中的一种或几种。
优选地，所述两性聚电解质单体为[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵、[3-(N-2-甲基丙烯酰氧基乙基-N,N-二甲基)氨基丙磺酸盐]、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱、3-磺丙基十六烷基二甲基铵、N,N-二甲基-N-十六烷基季氨基丁基硫酸酯、3-[N,N-二甲基,N-十八烷基]铵基和2-羟基丙磺酸盐中的一种或几种的混合物。
优选地，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、戊二醛、过氧化二苯甲酰、二乙烯基苯和聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或几种的混合物。
优选地，该两性聚电解质光热水凝胶中所述两性聚电解质单体和光热材料的质量比为(10-60)：(0.01-10)。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的两性聚电解质光热水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料分散在水中，得到预聚混合物；
(2)将步骤(1)所述预聚混合物通过加热或光照方式实现共聚合；
(3)用水浸泡洗去未反应的原料，从而得到两性聚电解质光热水凝胶。
优选地，所述两性聚电解质单体在所述预聚混合物中的浓度为10wt.％～60wt.％。
优选地，所述光热材料在所述预聚混合物中的浓度为0.01wt.％～10wt.％，所述光热材料的尺寸为5-500nm。
优选地，所述光热材料在所述预聚混合物中的浓度为0.5wt.％～2wt.％。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的两性聚电解质光热水凝胶的应用，用于太阳能光热加热水体表面。
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，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的一种两性聚电解质光热水凝胶，包括两性聚电解质水凝胶和光热材料，其中所述光热材料分散在所述两性聚电解质水凝胶中；该两性聚电解质光热水凝胶由两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料混合物通过共聚合得到。利用水凝胶基光热材料起到增强水蒸发作用，又由于两性聚电解质极强的水化能力从而实现光热材料水蒸发过程中的防污功能，做到真正的环保高效的光热水凝胶。
(2)在太阳能转化加热蒸发水领域，水凝胶聚合物链网能够与水通过毛细作用、渗透和水化作用相互联系，有利于光热材料水内部运输，保证了光热水凝胶在蒸发水的可持续性，同时引入氧化石墨烯等光热材料可提供光热性能和提高水凝胶的机械强度，使其在水处理领域也得到了很大的利用。
(3)本发明两性离子聚合物的链间缔合可以提供物理交联以增强水凝胶的机械性能，两性离子聚合物超强的亲水性能使其在材料表面形成紧密结合的水化层，从而有效阻碍生物分子的吸附。同时，两性离子聚合物独特的“抗聚电解质”效应，具有良好的防污效果。这些特性使得两性聚合物光热水凝胶在进行含盐废水等污水的加热水蒸发时，具有抗菌、脱盐和防污性，克服了传统光热蒸汽产生材料在处理高浓盐水、海水、工业废水等污水时材料表面易污染的缺点。
附图说明
图1是本发明实施例两性聚电解质光热水凝胶的简易制备流程图；
图2是本发明实施例两性聚电解质光热水凝胶的实物图。
图3是本发明实施例1两性聚电解质光热水凝胶的吸收光谱。
图4是本发明实施例1两性聚电解质光热水凝胶的FTIR图谱。
图5是本发明实施例1两性聚电解质光热水凝胶的扫描照片。
图6是本发明实施例1两性聚电解质光热水凝胶的水蒸发质量损失曲线。
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。
本发明提供了一种两性聚电解质光热水凝胶，包括两性聚电解质水凝胶和光热材料，其中所述光热材料分散在所述两性聚电解质水凝胶中；
该两性聚电解质光热水凝胶由两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料混合物通过共聚合得到。
一些实施例中，所述光热材料为聚吡咯纳米粒子、聚苯胺纳米粒子、炭黑、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、金纳米粒子和银纳米粒子中的一种或几种。
一些实施例中，所述两性聚电解质单体为[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵、[3-(N-2-甲基丙烯酰氧基乙基-N,N-二甲基)氨基丙磺酸盐]、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱、3-磺丙基十六烷基二甲基铵、N,N-二甲基-N-十六烷基季氨基丁基硫酸酯、3-[N,N-二甲基,N-十八烷基]铵基和2-羟基丙磺酸盐中的一种或几种的混合物。
本发明采用的交联剂和引发剂为用于在光照或加热条件下引发所述两性聚电解质单体发生交联聚合的交联剂和引发剂，原则上只要能够满足上述条件的引发剂和交联剂均可。本发明一些实施例中，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、戊二醛、过氧化二苯甲酰、二乙烯基苯和聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或几种的混合物。所述引发剂为过硫酸铵。
一些实施例中，该两性聚电解质光热水凝胶中所述光热材料和两性聚电解质的质量比为(0.01-10)：(10-60)。交联剂和引发剂的质量比为(0.1-1)：1。一些实施例中，两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料的质量比为(10-60)：(0.01-0.1)：0.1：(0.01-10)。
本发明还提供了一种所述的两性聚电解质光热水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料分散在水中，得到预聚混合物；
(2)将步骤(1)所述预聚混合物通过加热或光照方式实现共聚合；
(3)用水浸泡洗去未反应的原料，从而得到两性聚电解质光热水凝胶。
本发明两性聚电解质光热水凝胶的制备方法中，加料顺序不限。步骤(1)可以分别先获得光热材料在水中的分散液，以及两性聚电解质单体、交联剂和引发剂在水中的分散液，再进行混合；或者将两性聚电解质单体、交联剂和引发剂按照一定的质量比加入光热材料的水分散液中。
一些实施例中，所述两性聚电解质单体在所述预聚混合物中的浓度为10wt.％～60wt.％，优选为30wt.％～40wt.％。
一些实施例中，所述光热材料在所述预聚混合物中的浓度为0.01wt.％～10wt.％，优选为0.5wt.％～2wt.％，所述光热材料的尺寸为5-500nm。
一些实施例中，步骤(2)预聚混合物加热温度40-50℃加热5-10小时，或采用波长为380-400nm的紫外光进行光照4-6小时，实现共聚合。
本发明所述的两性聚电解质光热水凝胶，可以吸收太阳光并转化为热量，且具有的防生物污染能力，可用于太阳能光热加热水体表面，包括光热太阳能界面加热蒸汽转化方面，比如用于海水淡化、污水处理等领域。
本发明所述的两性聚电解质光热水凝胶由两性聚电解质水凝胶和光热材料组成。所述的两性聚电解质光热水凝胶可以吸收太阳光并转化为热量。本发明利用两性聚电解质水凝胶具有的防生物污染能力，克服了传统光热蒸汽转化材料在处理高浓盐水、海水、工业废水等污水时材料表面易污染的缺点，延长其在光热蒸汽转化应用中的使用寿命。
以下为实施例：
实施例1
一种两性聚电解质光热水凝胶的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
第一步：在烧杯里，氧化石墨烯均匀分散在去离子水中，得到浓度为0.5wt.％氧化石墨烯分散液，并于常温下在20mL去离子水中加入8g[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(SBMA)，搅拌使其溶解，得到40wt.％质量浓度的SBMA溶液；
第二步：在第一步SBMA溶液中加入氧化石墨烯分散液、0.03g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.1g引发剂过硫酸铵，氧化石墨烯分散液加入量为SBMA溶液质量的10wt.％，交联剂用量为SBMA溶液的0.1wt.％。
第三步：将第二步的预聚物在50℃条件下反应6h，直至形成黑色的两性聚电解质水凝胶，如图2所示，产物在去离子水中浸泡除去未反应物。
第四步：在烧杯中倒入一定浓度盐水，将第三步得到的两性聚电解质光热水凝胶置于盐水表面，在氙灯照射下进行太阳能加热蒸发水的测试，用连接电脑的电子天平实时监测光照过程中水质量的损失。
第五步：在上一步水蒸发实验结束后，观察两性聚电解质水凝胶表面是否有盐结晶现象。
图3是本实施例制备得到的两性聚电解质光热水凝胶的吸收光谱。其中如箭头所示，曲线由上至下分别为纯两性聚电解质水凝胶(PSB)和光热材料浓度由低到高的两性聚电解质光热水凝胶(PSB/rGO-1，2，3分别对应0.5wt％、1wt％、2wt％的光热材料分散液)，可以看出两性聚电解质光热水凝胶在250-2500nm波长范围的高吸光率。
图4是本实施例两性聚电解质光热水凝胶的FTIR图谱。其中如箭头所示，曲线由上至下分别为纯两性聚电解质水凝胶(PSB)和光热材料浓度由低到高的两性聚电解质光热水凝胶(PSB/rGO-1，2，3分别对应0.5wt％、1wt％、2wt％的光热材料分散液)，可以看出光热材料浓度不同的两性聚电解质光热水凝胶的成功制备。
图5是本实施例两性聚电解质光热水凝胶的扫描照片。可以看出两性聚电解质光热水凝胶内部多孔的网络结构，有利于水蒸发应用时的水运输。
图6是本实施例两性聚电解质光热水凝胶的水蒸发质量损失曲线。可以看出两性聚电解质光热水凝胶具有良好的蒸发性能，最终的蒸发效率可以达到87.5％。
实施例2
一种两性聚电解质光热水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
第一步：在烧杯里，聚吡咯均匀分散在去离子水中，得到浓度为10mg/mL聚吡咯分散液，并于常温下在20mL去离子水中加入8g[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(SBMA)，搅拌使其溶解，得到40wt.％质量浓度的SBMA溶液；
第二步：在第一步SBMA溶液中加入聚吡咯分散液、0.03g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.1g引发剂过硫酸铵，氧化石墨烯分散液加入量为SBMA溶液质量的10wt.％，交联剂用量为SBMA溶液的0.1wt.％。
第三步：将第二步的预聚物在50℃条件下反应6h，直至形成黑色的两性聚电解质水凝胶，产物在去离子水中浸泡除去未反应物。
第四步：在烧杯中倒入一定浓度盐水，将第三步得到的两性聚电解质光热水凝胶置于盐水表面，在氙灯照射下进行太阳能加热蒸发水的测试，用连接电脑的电子天平实时监测光照过程中水质量的损失。
第五步：在上一步水蒸发实验结束后，观察两性聚电解质水凝胶表面是否有盐结晶现象。
实施例3
一种两性聚电解质光热水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
第一步：在烧杯里，氧化石墨烯均匀分散在去离子水中，得到浓度为0.5wt.％氧化石墨烯分散液，并于常温下在20mL去离子水中加入8g 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱，搅拌使其溶解，得到40wt.％质量浓度的2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱溶液；
第二步：在第一步溶液中加入氧化石墨烯分散液、0.03g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.1g引发剂过硫酸铵，氧化石墨烯分散液加入量为2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱溶液质量的10wt.％，交联剂用量为溶液的1.0wt.％。
第三步：将第二步的预聚物在50℃条件下反应6h，直至形成黑色的两性聚电解质水凝胶，产物在去离子水中浸泡除去未反应物。
第四步：在烧杯中倒入一定浓度盐水，将第三步得到的两性聚电解质光热水凝胶置于盐水表面，在氙灯照射下进行太阳能加热蒸发水的测试，用连接电脑的电子天平实时监测光照过程中水质量的损失。
第五步：在上一步水蒸发实验结束后，观察两性聚电解质水凝胶表面是否有盐结晶现象。
实施例4
一种两性聚电解质光热水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
第一步：在烧杯里，碳纳米管均匀分散在去离子水中，得到浓度为2.0wt.％碳纳米管分散液，并于常温下在20mL去离子水中加入8g[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(SBMA)，搅拌使其溶解，得到20wt.％质量浓度的SBMA溶液；
第二步：在第一步SBMA溶液中加入碳纳米管分散液、0.03g交联剂戊二醛和0.1g引发剂过硫酸铵，碳纳米管分散液加入量为SBMA溶液质量的20wt.％，交联剂用量为SBMA溶液的0.5wt.％。
第三步：将第二步的预聚物在50℃条件下反应5h，直至形成两性聚电解质水凝胶，产物在去离子水中浸泡除去未反应物。
第四步：在烧杯中倒入一定浓度盐水，将第三步得到的两性聚电解质光热水凝胶置于盐水表面，在氙灯照射下进行太阳能加热蒸发水的测试，用连接电脑的电子天平实时监测光照过程中水质量的损失。
第五步：在上一步水蒸发实验结束后，观察两性聚电解质水凝胶表面是否有盐结晶现象。
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 (8)

1.一种通过阻碍生物分子吸附防污染的两性聚电解质光热水凝胶用于太阳能光热加热水体表面的应用，其特征在于，该两性聚电解质光热水凝胶包括两性聚电解质水凝胶和光热材料，其中所述光热材料分散在所述两性聚电解质水凝胶中；
将两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料分散在水中，得到预聚混合物，所述光热材料在所述预聚混合物中的浓度为0.045wt.％～0.33wt.％；
该两性聚电解质光热水凝胶由两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料混合物通过共聚合得到。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述光热材料为聚吡咯纳米粒子、聚苯胺纳米粒子、炭黑、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、金纳米粒子和银纳米粒子中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述两性聚电解质单体为[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵、[3-(N-2-甲基丙烯酰氧基乙基-N,N-二甲基)氨基丙磺酸盐]、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱、3-磺丙基十六烷基二甲基铵、N,N-二甲基-N-十六烷基季氨基丁基硫酸酯、3-[N,N-二甲基,N-十八烷基]铵基和2-羟基丙磺酸盐中的一种或几种的混合物。
4.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、戊二醛、过氧化二苯甲酰、二乙烯基苯和聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或几种的混合物。
5.如权利要求1所述的应用，其特征在于，该两性聚电解质光热水凝胶中所述两性聚电解质单体和光热材料的质量比为(10-60)：(0.01-10)。
6.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述两性聚电解质光热水凝胶通过以下步骤制备得到：
(1)将两性聚电解质单体、交联剂、引发剂和光热材料分散在水中，得到预聚混合物；
(2)将步骤(1)所述预聚混合物通过加热或光照方式实现共聚合；
(3)用水浸泡洗去未反应的原料，从而得到两性聚电解质光热水凝胶。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述两性聚电解质单体在所述预聚混合物中的浓度为10wt.％～60wt.％。
8.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述光热材料的尺寸为5-500nm。
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