CN113699686B - 一种光热转换复合纳米碳纤维膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合纤维材料领域，具体涉及一种光热转换复合纳米碳纤维膜及其制备方法，其制备方法包括：(1)对纺丝液进行静电纺丝得到纳米纤维薄膜；其中，纺丝液为聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或几种的液相分散体；(2)对纳米纤维薄膜进行热压处理，得到致密纺丝膜。(3)对致密纺丝膜进行碳化处理，得到光热转换复合纳米碳纤维膜。本发明制得的光热转换复合纳米碳纤维膜，具有多孔道运输水蒸气，利用光热转换复合纤维膜原子结构的变化以及薄膜不规整的内部结构，通过多次折射吸收太阳光，提高了光的吸收，使得光热转换效率大大提升。

Description

一种光热转换复合纳米碳纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明属于复合纤维材料领域，具体涉及一种光热转换复合纳米碳纤维膜及其制备方法。
背景技术
水污染日益严重，人们对淡水资源的需求越来越紧迫，净化水是全球的重要问题之一。近年来，相比于传统的非再生资源，太阳能是一种可再生资源，合理利用太阳能已成为未来的发展趋势。太阳能在净化水上已经有了一定的应用，但仍存在着能源消耗大、效率低、成本高等不足。
在众多的净化水方式中，利用太阳能转换为热能是最方便、最环保的方式。光热转换材料是光热转换载体，光热转转化材料能够把较宽波长范围内的太阳光谱吸收和转换。理想的太阳能界面蒸发器应满足四个基本标准：优异的光热转换、最小的热损失、充足的水供应和快速的蒸汽逸出。其中，最重要的是光热转换效率。目前已经有很多光热转换剂的掺杂应用在光热转换材料上，现有主要的光热转换材料主要分为三大类：纳米金属材料、半导体材料以及碳基材料。
金属纳米结构的局域表面等离子体共振(LSPR)效应与粒子周围的形状、尺寸、介电涂层或介质以及组装状态密切相关。由于LSPR的性质，金属基等离子体纳米粒子通常只吸收一种或几种特定的波长，因此限制了它们的光热转换效率。
半导体材料在可见光区通常是不透明的，在红外区通常是半透明的。它们在可见光谱区的吸收是基于自由载流子的产生，这取决于半导体的带隙，然而一些金属半导体在近红外区有吸收，这被归因于间接带间跃迁或LSPR效应。半导体材料中的硫浓度比金属中的低得多；然而，它可以通过掺杂或通过引入空位而显著增加，这导致能带能量的偏移和/或带隙内能量状态的产生。自由载流子浓度的增加不仅增强了半导体的吸收，而且由于非辐射复合的高概率，还提高了光热转换效率。
相比于金属材料和半导体材料，碳基和聚合物基高分子材料则具有更为宽泛的光谱吸收范围和较高的吸收及转换能力，部分碳基材料还有较低成本、可大量获得等特点，如碳纳米管、石墨烯、炭黑和聚吡咯、聚多巴胺、聚苯胺等都是很好的光热材料。
然而，这些光热转换材料普遍存在着太阳能利用率低，光热转换效率低，生产成本高、有毒、回收率低等问题。现阶段光热转换剂的选择仍然是提高光热转换效率的主要原因，而利用材料本身结构提高光热转换效率的研究几乎没有。
本发明通过制备出一种光热转换复合纳米碳纤维膜，得到一种多孔道运输水蒸气，利用光热转换复合纳米碳纤维膜原子结构的变化、粗糙表面以及薄膜不规则的内部结构，当光照射到样品内部，经过在内部结构利的多重散射，捕获太阳光，提高了光的吸收、降低反射率，使得光热转换效率大大提升。这是由于碳化处理后的光热转换复合纳米碳纤维膜附加了表面的纹理结构，相应的表面温度上升。
所制备的光热转换复合纳米碳纤维膜具有微米大小的孔，具有优异的宽带吸收、低热容量和低热传导率，该光热转换复合纳米碳纤维膜最重要功能是微米级孔可以作为水传输通道，与高效光热转换的必要条件相一致。还因其低成本、可重用性、化学稳定性、便携性、耐用性和适合大规模生产的特性，在净化水方面具有良好的应用前景和社会意义，为人类研究净化水薄膜提供了一个好的研究方向。
发明内容
基于现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种光热转换复合纳米碳纤维膜及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种光热转换复合纳米碳纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)对纺丝液进行静电纺丝得到纳米纤维薄膜；其中，纺丝液为聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或几种的液相分散体；
(2)对纳米纤维薄膜进行热压处理，得到致密纺丝膜。
(3)对致密纺丝膜进行碳化处理，得到光热转换复合纳米碳纤维膜。
作为优选方案，所述步骤(1)之前，还包括：对纺丝液进行超声搅拌以去气泡。
作为优选方案，所述步骤(1)中，静电纺丝的参数包括：正电压16-22kV，负电压2kV，纺丝距离14-20cm，纺丝速度0.001-0.003mm/s，平移距离为0-10cm。
作为优选方案，所述液相分散体的分散液为水或DMF。
作为优选方案，所述步骤(2)中，热压处理的参数包括：压力5-20MPa，温度为100-250℃，时间为30-180min。
作为优选方案，所述步骤(3)中，碳化处理的气氛为氮气或空气。
作为优选方案，所述步骤(3)中，碳化处理过程包括：升温速率为1-3℃/min，升温至300-500℃，恒温时间为30-180min，最后自然冷却至室温。
本发明还提供如上任一项方案所述制备方法制得的光热转换复合纳米碳纤维膜。
本发明在碳化处理之前先进行热压处理使其致密，用以加强材料的抗拉伸强度等力学性能。
本发明的静电纺丝，采用单针头或双针头混纺以得到复合薄膜。
本发明的光热转换复合纳米碳纤维膜所用的原理是光热转换实现净化水，主要是通过光热转换剂将太阳能转换为热能，使得水在一定温度下透过光热转换复合纳米碳纤维膜，水中的其他物质则被膜阻隔。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
本发明通过静电纺丝技术制备出光热转换复合纳米碳纤维膜，其制备方法简易，光热转换效果好，该薄膜是未来用于光热转换的良好选择；其光热转换效果主要体现在：其烧结后的多孔洞结构有利于提供蒸发水的运输通道；复合纤维膜可以大大提高其光热转换效率。
本发明的光热转换复合纳米碳纤维膜，净化水操作简单易行，无需添加任何光热转换剂，不会造成环境污染，在净化水上具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的静电纺丝法制备纳米纤维薄膜的流程图；
图2为本发明实施例1的纤维膜在烧结前、后的扫描电子显微镜图；
图3为本发明实施例1的光热转换复合纳米碳纤维膜在近红外光照射5分钟的升温曲线图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明。
实施例1：
本实施例的光热转换复合纳米碳纤维膜的制备方法，包括：
(1)纺丝液的制备
分别将聚乙烯醇、聚四氟乙烯分散在水中并在80℃下持续搅拌6小时配制成20wt％的溶液，冷却至室温，得到聚四氟乙烯液相分散体和聚乙烯醇液相分散体；
然后将体积比为7：3的聚四氟乙烯液相分散体、聚乙烯醇液相分散体混合，在室温下搅拌一整夜，以获得用于静电纺丝的均匀溶液，超声2h以去除气泡，得到纺丝液。
(2)静电纺丝
使用静电纺丝机在正电压为20.0kV、负电压2kV、纺丝速度为0.001mm/s、纺丝距离为18cm、纺丝浓度为24％、针头为18mm、平移距离为6cm、滚筒转速为150r/min的纺丝条件下对上述配制的纺丝液进行静电纺丝得到白色薄膜，观察纺丝现象。
将得到的白色薄膜放置于80℃烘箱中4小时，再将其放入真空干燥箱中2小时，得到干燥的纺丝薄膜，揭下白色薄膜。
(3)热压处理
将白色薄膜用两片钢板(10cm*10cm)夹住，用热压处理机以20MPa的压力、150℃热压30分钟；
(4)碳化处理
将薄膜夹于两片钢板中，放入N2气氛下在高温炉中碳化处理，具体以升温速率为1℃/min，从25℃升温至400℃保温80min，自然冷却至室温，取出烧结后的样品，得到光热转换复合纳米碳纤维膜。
如图1所示，为静电纺丝的示意图，由进料注射器、金属接收器、高压电源组成。注射器内纺丝液在高压电场的作用下，溶剂挥发，聚合物纤维被接收到金属接收器上形成纳米纤维薄膜。
图2为纤维薄膜烧结前的扫描电子显微镜图(a)和烧结后的扫描电子显微镜图(b)，多孔光热转换复合纳米碳纤维膜的SEM图像显示出烧结前后膜之间的差异。具体地，在烧结之前，膜是由具有明确的纤维形态的随机取向的纳米纤维形成的；烧结后，部分纤维分解，剩余的纤维及新生成的化合物在纤维交叉点融合，形成相互连接的纤维网络；复合纤维膜表面具有突起结构，说明其具有优异的疏水结构，退火后的光热转换复合纳米碳纤维膜具有孔洞结构，孔间隙大，孔隙结构有利于水蒸气的逃逸。而且，碳化处理后的光热转换复合纤维具有均匀分布的团簇结构，该团簇结构用于捕获太阳光。由于复合纤维膜内部一些凸起或凹陷结构的存在，光热转换复合纳米碳纤维膜的表面相对粗糙，这些结构负责捕获太阳光。对于光滑的表面，很大一部分光能将被镜面反射吸收。然而，当表面存在粗糙度时，由于多尺度凸或凹结构，会发生多重散射和多重折射，使得入射光更容易被复合纤维捕获。因此，表面粗糙度可以在一定程度上提高太阳能吸收器的效率。
实施例2：
本实施例的光热转换复合纳米碳纤维膜的制备方法，包括：
(1)纺丝液的制备
分别将聚丙烯酸、聚四氟乙烯分散在水中并在80℃下持续搅拌6小时配制成20wt％的溶液，冷却至室温，得到聚丙烯酸液相分散体和聚四氟乙烯液相分散体；
然后将体积比为8：2的聚四氟乙烯液相分散体、聚丙烯酸液相分散体混合，在室温下搅拌一整夜，以获得用于静电纺丝的均匀溶液，超声2h以去除气泡，得到纺丝液。
(2)静电纺丝
使用静电纺丝机在正电压为18.0kV、负电压2kV、纺丝速度为0.003mm/s、纺丝距离为14cm、纺丝浓度为22％、针头为18mm、平移距离为0cm、滚筒转速为150r/min的纺丝条件下对上述配制的纺丝液进行静电纺丝得到白色薄膜，观察纺丝现象。
将得到的白色薄膜放置于80℃烘箱中4小时，再将其放入真空干燥箱中2小时，得到干燥的纺丝薄膜，揭下白色薄膜。
(3)热压处理
将白色薄膜用两片钢板(10cm*10cm)夹住，用热压处理机以10MPa的压力、250℃热压130分钟；
(4)碳化处理
将薄膜夹于两片钢板中，空气气氛下在高温炉中碳化处理，具体以升温速率为2℃/min，从25℃升温至500℃保温30min，自然冷却至室温，取出烧结后的样品，得到光热转换复合纳米碳纤维膜。
实施例3：
本实施例的光热转换复合纳米碳纤维膜的制备方法，包括：
(1)纺丝液的制备
分别将聚偏氟乙烯、聚丙烯分散在DMF中并在80℃下持续搅拌6小时配制成20wt％的溶液，冷却至室温，得到聚偏氟乙烯液相分散体和聚丙烯液相分散体；
然后将体积比为6：4的聚偏氟乙烯液相分散体、聚丙烯液相分散体混合，在室温下搅拌一整夜，以获得用于静电纺丝的均匀溶液，超声2h以去除气泡，得到纺丝液。
(2)静电纺丝
使用静电纺丝机在正电压为16.0kV、负电压2kV、纺丝速度为0.002mm/s、纺丝距离为16cm、纺丝浓度为28％、针头为18mm、平移距离为10cm、滚筒转速为150r/min的纺丝条件下对上述配制的纺丝液进行静电纺丝得到白色薄膜，观察纺丝现象。
将得到的白色薄膜放置于80℃烘箱中4小时，再将其放入真空干燥箱中2小时，得到干燥的纺丝薄膜，揭下白色薄膜。
(3)热压处理
将白色薄膜用两片钢板(10cm*10cm)夹住，用热压处理机以5MPa的压力、200℃热压180分钟；
(4)碳化处理
将薄膜夹于两片钢板中，空气气氛下在高温炉中碳化处理，具体以升温速率为3℃/min，从25℃升温至300℃保温130min，自然冷却至室温，取出烧结后的样品，得到光热转换复合纳米碳纤维膜。
实施例4：
本实施例的光热转换复合纳米碳纤维膜的制备方法，包括：
(1)纺丝液的制备
分别将聚偏氟乙烯、聚乙烯醇分散在DMF中并在80℃下持续搅拌6小时配制成20wt％的溶液，冷却至室温，得到聚偏氟乙烯液相分散体和聚乙烯醇液相分散体；
然后将体积比为6：4的聚偏氟乙烯液相分散体、聚乙烯醇液相分散体混合，在室温下搅拌一整夜，以获得用于静电纺丝的均匀溶液，超声2h以去除气泡，得到纺丝液。
(2)静电纺丝
使用静电纺丝机在正电压为22.0kV、负电压2kV、纺丝速度为0.001mm/s、纺丝距离为20cm、纺丝浓度为26％、针头为18mm、平移距离为3cm、滚筒转速为150r/min的纺丝条件下对上述配制的纺丝液进行静电纺丝得到白色薄膜，观察纺丝现象。
将得到的白色薄膜放置于80℃烘箱中4小时，再将其放入真空干燥箱中2小时，得到干燥的纺丝薄膜，揭下白色薄膜。
(3)热压处理
将白色薄膜用两片钢板(10cm*10cm)夹住，用热压处理机以15MPa的压力、100℃热压80分钟；
(4)碳化处理
将薄膜夹于两片钢板中，空气气氛下在高温炉中碳化处理，具体以升温速率为1℃/min，从25℃升温至400℃保温180min，自然冷却至室温，取出烧结后的样品，得到光热转换复合纳米碳纤维膜。
对实施例1所制得的光热转换复合纳米碳纤维膜进行水处理模拟实验，具体过程如下：
a、取直径为10cm的光热转换复合纳米碳纤维膜用乙醇、H2O洗涤，在80℃烘箱内干燥2h备用。
b、取步骤a所备的样品，用夹子将其夹住置于空气中，在15cm处放置近红外灯照射光热转换复合纳米碳纤维膜5min，用热成像仪记录每10s的光热转换复合纳米碳纤维膜的温度变化。
如图3所示，热压之前的纺丝膜在近红外光照射五分钟后，没有任何的升温；而热压处理之后的纺丝膜在近红外灯照射五分钟后就已经升温至50℃左右；实施例1制得的光热转换复合纳米碳纤维膜具有光热作用，经过近红外光照射五分钟后，可升温至320℃左右。
另外，还对实施例1所制得的光热转换复合纳米碳纤维膜进行水处理模拟实验，具体如下：
(1)取直径为10cm的光热转换复合纳米碳纤维膜用乙醇、H2O洗涤，在80℃烘箱内干燥2h备用。
(2)在直径为9cm的烧杯中加满纯水，将整个装置放置于天平上，用模拟太阳光的氙灯在距离14.5cm处照射，每15min记录一次质量，每15min用热成像仪记录温度变化，计算得到光热转换效率为0。
(3)在直径为9cm的烧杯中加满纯水，将光热转换复合纳米碳纤维膜置于纯水液面上，将整个装置放置于天平上，用模拟太阳光的氙灯在距离14.5cm处照射复合膜2h，每15min记录一次质量，每15min用热成像仪记录温度变化，计算得到光热转换效率为68.5％。
(4)在直径为9cm的烧杯中加满纯水，将光热转换复合纳米碳纤维膜置于纯水液面上，再将聚苯乙烯泡沫正中间剪下合适大小放在光热转换复合纳米碳纤维膜上，将整个装置放置于天平上，用模拟太阳光的氙灯分别在距离14.5cm处照射复合膜2h，每15min记录一次质量，每15min用热成像仪记录温度变化，计算得到光热转换效率为88.6％。
基于本发明实施例众多，在此不逐一举例说明，各试验结果类似，最终所需的验证内容可行，故不逐一举例说明，本发明仅用以上实施例1-4说明本发明的优异之处。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种光热转换复合纳米碳纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)纺丝液的制备
分别将聚乙烯醇、聚四氟乙烯分散在水中并在80℃下持续搅拌6小时配制成20wt％的溶液，冷却至室温，得到聚四氟乙烯液相分散体和聚乙烯醇液相分散体；
然后将体积比为7：3的聚四氟乙烯液相分散体、聚乙烯醇液相分散体混合，在室温下搅拌一整夜，以获得用于静电纺丝的均匀溶液，超声2h以去除气泡，得到纺丝液；
(2)静电纺丝
使用静电纺丝机在正电压为20.0kV、负电压2kV、纺丝速度为0.001mm/s、纺丝距离为18cm、纺丝浓度为24％、针头为18mm、平移距离为6cm、滚筒转速为150r/min的纺丝条件下对上述配制的纺丝液进行静电纺丝得到白色薄膜；
将得到的白色薄膜放置于80℃烘箱中4小时，再将其放入真空干燥箱中2小时，得到干燥的纺丝薄膜，揭下白色薄膜；
(3)热压处理
将白色薄膜用两片钢板夹住，用热压处理机以20MPa的压力、150℃热压30分钟；
(4)碳化处理
将薄膜夹于两片钢板中，放入N2气氛下在高温炉中碳化处理，以升温速率为1℃/min，从25℃升温至400℃保温80min，自然冷却至室温，取出烧结后的样品，得到光热转换复合纳米碳纤维膜。
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