CN113881067B - 一种淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料及其制备方法 - Google Patents

一种淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种淀粉‑聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的制备方法及其应用，通过水溶液聚合法快速一体化制备淀粉‑聚丙烯酰胺基弹性水凝胶，制备方法简单、成本低，同时该材料丰富多样、价格低廉、绿色环保可降解，具有较强的柔韧性和机械性能，且自身含水量较大、亲水及保水性能较好，通闭孔交错的网络结构，有利于水分的存储输运和蒸汽的稳定高效流动，同时由于水凝胶中均匀分布着碳纳米管，使得其在250～2500nm范围内对太阳光的吸收率最高达97％，在1kW m‑2光强下，光热蒸汽产生速率最高可达3.38kg m‑2h‑1，此外，对宽盐度范围的海水具有较高的脱盐能力，可用于大规模连续海水淡化、污水处理等。

Description

一种淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料及其制备 方法
技术领域：
本发明涉及太阳能材料制备技术领域，具体涉及一种淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料及其制备方法。
背景技术：
太阳能具有许多优点：首先，太阳光普照大地，没有地域限制，无需开采和运输，可直接开发和利用；其次，太阳能的总量巨大，每年大约有3.4×1024J的太阳能抵达地球表面，这一部分能量比包括核燃料和化石燃料在内的所有估计的不可再生能源的总和大一个数量级，如果太阳能得到充分利用，将解决未来人类的能源危机问题。同时，太阳能清洁无污染，太阳能是通过电磁辐射传递到地球的，不会污染环境。因此，提高太阳能的利用率对于解决日趋严重的能源短缺和环境污染问题有着重大意义。
淡水资源的匮乏也是最严峻的世界性问题之一，由于气候变化、环境污染以及快速的城市化进程导致的人口暴增等问题，加剧了淡水资源的短缺。目前，获取淡水的技术有：膜蒸馏，高级氧化技术，太阳能蒸汽产生。其中，由于太阳能的丰富性、清洁性及可再生性，太阳能蒸汽产生被认为是获取淡水的最有前途的技术之一。
在过去的一段时间里，诞生了许多种太阳能光热转换材料，其中包括贵金属纳米材料、半导体材料以及碳基材料等。然而这些材料大多制备复杂、成本较高、机械性能差、柔韧性不好或对环境不友好等等，大大限制了其应用范围。
发明内容：
本发明的目的是提供一种淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料及其制备方法，通过水溶液聚合法快速一体化制备淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶，制备方法简单、成本低，同时该材料绿色环保可降解，具有较强的柔韧性和机械性能，且自身含水量较大、亲水及保水性能较好，通闭孔交错的网络结构，有利于水分的存储输运和蒸汽的稳定高效流动，同时由于水凝胶中均匀分布着碳纳米管，使得其在250～2500nm范围内对太阳光的吸收率最高达97％，在1kW m-2光强下，光热蒸汽产生速率最高可达3.38kg m-2h-1，此外，对宽盐度范围的海水具有较高的脱盐能力，可用于海水淡化、污水处理等，实现大规模生产及广泛应用，解决了现有技术材料大多制备复杂、成本较高、机械性能差、柔韧性不好或对环境不友好的问题。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)将0.7～2.1g可溶性淀粉(ST)和1～3g丙烯酰胺(AM)溶于10～30mL去离子水中并搅拌混合均匀；然后80～90℃恒温搅拌0.5～1h，得到充分溶解反应的混合溶液，将混合溶液冷却至室温，在混合溶液中加入400～1200μL碳纳米管(CNTs)分散液并搅拌均匀，得到碳纳米管混合溶液；
2)在步骤1)得到的碳纳米管混合溶液中加入交联剂N,N＇-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，放置在冰水浴中搅拌0.3～0.5h，然后在冰水浴下，加入少量的热引发剂过硫酸铵(APS)，并搅拌至混合溶液完全均匀稳定；丙烯酰胺、N,N＇-亚甲基双丙烯酰胺与过硫酸铵的质量比为60～150:6～15:0.7～1.3；
3)将步骤2)得到的反应混合溶液倒入模具中，将模具放入烘箱中，80～90℃恒温反应2～3h，得到淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶，然后放入去离子水中浸泡即可。
本发明获得的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶具有较强的柔韧性和机械性能，且自身含水量较大、亲水及保水性能较好，通闭孔交错的网络结构，有利于水分的存储输运和蒸汽的稳定高效流动，同时由于水凝胶中均匀分布着碳纳米管，使得其在250～2500nm范围内对太阳光的吸收率最高达97％，在1kW m-2光强下，光热蒸汽产生速率最高可达3.38kg m-2h-1，此外，对宽盐度范围的海水具有较高的脱盐能力，可用于海水淡化、污水处理等，实现大规模生产及广泛应用。
本发明还保护所述的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶的应用，利用该淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶实现光热蒸汽转换，用于海水淡化、污水处理等，包括以下步骤：所述淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料放置于基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置中进行太阳能光热蒸汽转换，该装置自下而上包括盛装溶液(蒸馏水或海水或污水)的容器和盛装容器顶部的泡沫隔热板，所述泡沫隔热板的正中间设有上下贯通的圆形孔，淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料竖直插在上下贯通的圆形孔内，淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的上端从泡沫隔热板上表面伸出12～18mm,下端浸没在盛装容器的溶液中。
海水的盐度范围为3.5wt％～20wt％。
本发明的有益效果如下：制备方法简单、能够快速一体化成型，成本低，同时该材料丰富多样、价格低廉、绿色环保可降解，由于分子间化学作用和物理缠结的双重作用使得淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶具有较强的柔韧性和机械性能，且自身含水量较大、亲水及保水性能较好，通闭孔交错的网络结构，有利于水分的存储输运和蒸汽的稳定高效流动，同时由于水凝胶中均匀分布着碳纳米管，使得其在250～2500nm范围内对太阳光的吸收率最高达97％，在1kW m-2光强下，光热蒸汽产生速率最高可达3.38kg m-2h-1，此外，对宽盐度范围(3.5wt％～20wt％)的海水具有较高的脱盐能力，可用于大规模连续海水淡化、污水处理等。
附图说明：
图1是实施例1和对比例1得到的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的实物机械性能对比图；
图2是实施例2得到的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的微观结构扫描电子显微镜；
图3是实施例1、实施例2和对比例1得到的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的接触角测试图；
图4是实施例1、实施例2和对比例1得到的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的溶胀率测试图；
图5是不同碳纳米管量得到的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的紫外/可见/近红外吸收光谱图；
图6是应用实施例1的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置的结构示意图；
其中，1、盛装容器2、溶液(蒸馏水或海水或污水)3、泡沫隔热板4、光热转换材料；
图7是应用实施例1中不同ST/AM比例的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的蒸汽质量损失—时间关系图；其中ST/AM-0/1指没有加入可溶性淀粉的样品，ST/AM-0.4/1指加入0.4g可溶性淀粉的样品，ST/AM-0.7/1指加入0.7g可溶性淀粉的样品，ST/AM-1.3/1指加入1.3g可溶性淀粉的样品,ST/AM-1.6/1指加入1.6g可溶性淀粉的样品；
图8是应用实施例1中不同碳纳米管量淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的蒸汽质量损失—时间关系图；其中CNTs 0μL指没有添加碳纳米管的样品，CNTs 200μL指添加200μL碳纳米管的样品，CNTs 400μL指添加400μL碳纳米管的样品，CNTs 600μL指添加600μL碳纳米管的样品；
图9是应用实施例2的模拟海水淡化实验得到的蒸汽质量损失—时间关系图；其中0wt％指没有添加NaCl的水溶液,3.5wt％指NaCl溶液的质量分数为3.5％,10wt％指NaCl溶液的质量分数为10％,20wt％指NaCl溶液的质量分数为20％。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1:一种淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的制备方法
1)将0.7g可溶性淀粉和1.5g丙烯酰胺溶于10mL去离子水中并搅拌混合均匀，然后放入水浴锅中，80～90℃恒温搅拌0.5～1h，得到充分溶解反应的混合溶液。
2)将混合溶液冷却至室温，在混合溶液中加入150mg交联剂MBA，放置在冰水浴中搅拌0.3～0.5h。然后在冰水浴下，加入13mg热引发剂APS，并搅拌至混合溶液完全均匀稳定。
3)将步骤2)得到的反应混合溶液倒入模具中，将模具放入烘箱中，80～90℃恒温反应2～3h，得到淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶(ST-PAM)，然后放入去离子水中浸泡即可。
对比例1：
参考实施例1，不同之处在于没有添加可溶性淀粉。
1)将0g可溶性淀粉和1.5g丙烯酰胺溶于10mL去离子水中并搅拌混合均匀，然后放入水浴锅中，80～90℃恒温搅拌0.5～1h，得到充分溶解反应的混合溶液。
2)将混合溶液冷却至室温，在混合溶液中加入150mg交联剂MBA，放置在冰水浴中搅拌0.3～0.5h。然后在冰水浴下，加入13mg热引发剂APS，并搅拌至混合溶液完全均匀稳定。
3)将步骤2)得到的反应混合溶液倒入模具中，将模具放入烘箱中，80～90℃恒温反应2～3h，得到聚丙烯酰胺基水凝胶(PAM)，然后放入去离子水中浸泡即可。
实施例2:
参考实施例1，不同之处在于，步骤1)加入了400μL碳纳米管分散液。
1)将0.7g可溶性淀粉和1.5g丙烯酰胺溶于10mL去离子水中并搅拌混合均匀，然后放入水浴锅中，80～90℃恒温搅拌0.5～1h，得到充分溶解反应的混合溶液。将混合溶液冷却至室温，在混合溶液中加入400μL碳纳米管分散液并搅拌均匀，得到碳纳米管混合溶液。
2)在碳纳米管混合溶液中加入150mg交联剂MBA，放置在冰水浴中搅拌0.3～0.5h。然后在冰水浴下，加入13mg热引发剂APS，并搅拌至混合溶液完全均匀稳定。
3)将步骤2)得到的反应混合溶液倒入模具中，将模具放入烘箱中，80～90℃恒温反应2～3h，得到淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶(ST-PAM-CNTs)，然后放入去离子水中浸泡即可。得到的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的微观结构扫描电子显微镜参见图2，由图2可知，本发明淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶中均匀分布着碳纳米管。
实施例1和对比例1得到的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的实物机械性能对比参见图1；由此可知，加入淀粉有利于增强柔韧性。
实施例1、对比例1和实施例2得到的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的接触角测试参见图3，溶胀率测试参见图4，由此可知，加入淀粉有利于增强亲水性。
实施例3：
参考实施例1，不同之处在于，步骤1)加入淀粉的量不同，加入了0.4g可溶性淀粉。
实施例4：
参考实施例1，不同之处在于，步骤1)加入淀粉的量不同，加入了1.3g可溶性淀粉。
实施例5：
参考实施例1，不同之处在于，步骤1)加入淀粉的量不同，加入了1.6g可溶性淀粉。
实施例6：
参考实施例2，不同之处在于，步骤1)加入碳纳米管分散液的量不同，加入了200μL碳纳米管分散液。
实施例7：
参考实施例2，不同之处在于，步骤1)加入碳纳米管分散液的量不同，加入了600μL碳纳米管分散液。
应用实施例1：蒸汽产生及吸光率测试实验
本发明实施例1-7和对比例1制备的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料，在模拟太阳光的光照强度为1kW m-2，光照时间为60min，可以产生一定量的蒸汽。如图6所示，所述实验装置自下而上包括塑料的盛装容器1、溶液2(蒸馏水或海水或污水)和盛装容器顶部的泡沫隔热板3，所述泡沫隔热板3由8×8×2cm的聚乙烯泡沫组成。所述泡沫隔热板的正中间设有上下贯通的圆形孔，光热转换材料4竖直插在上下贯通的圆形孔内，光热转换材料的上端从泡沫隔热板上表面伸出约15mm，下端浸没在盛装容器的溶液2中。
表1.蒸汽产生实验数据
表2.蒸汽产生及吸光率测试实验数据
应用实施例2:模拟海水淡化实验
本发明实施例2得到的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料，置于自制的蒸汽发生装置(如图6所示)上，配制质量分数分别为0wt％、3.5wt％、10wt％、20wt％的NaCl溶液，模拟太阳光的光照强度为1kW m-2,光照时间为60min。测得的蒸发速率分别为3.38kgm-2h-1、3.30kg m-2h-1、3.06kg m-2h-1、2.95kg m-2h-1。表明了淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料具有较高的蒸汽速率和宽盐度范围的海水脱盐能力。
上述实施例仅例示性说明本发明的制备方法及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将0.7～2.1g可溶性淀粉和1～3g丙烯酰胺溶于10～30mL去离子水中并搅拌混合均匀；然后80～90℃恒温搅拌0.5～1h，得到充分溶解反应的混合溶液，将混合溶液冷却至室温，在混合溶液中加入400～1200μL碳纳米管分散液并搅拌均匀，得到碳纳米管混合溶液；
2)在步骤1)得到的碳纳米管混合溶液中加入少量的交联剂N,N＇-亚甲基双丙烯酰胺，放置在冰水浴中搅拌0.3～0.5h，然后在冰水浴下，加入热引发剂过硫酸铵，并搅拌至混合溶液完全均匀稳定；丙烯酰胺、N,N＇-亚甲基双丙烯酰胺与过硫酸铵的质量比为60～150:6～15:0.7～1.3；
3)将步骤2)得到的反应混合溶液倒入模具中，将模具放入烘箱中，80～90℃恒温反应2～3h，得到淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶，然后放入去离子水中浸泡即可。
2.权利要求1所述的制备方法得到的淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶的应用，其特征在于，利用该淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶实现光热蒸汽转换，用于海水淡化、污水处理。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：所述淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料放置于基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置中进行太阳能光热蒸汽转换，该装置自下而上包括盛装海水或污水的容器和盛装容器顶部的泡沫隔热板，所述泡沫隔热板的正中间设有上下贯通的圆形孔，淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料竖直插在上下贯通的圆形孔内，淀粉-聚丙烯酰胺基弹性水凝胶光热转换材料的上端从泡沫隔热板上表面伸出12～18mm，下端浸没在盛装容器的海水或污水中。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，海水的盐度范围为3.5wt％～20wt％。
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