CN114163683A - 一种聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备方法及其应用，首先选择合适的水面支撑体，并在中间预留大孔，将光热海绵置于支撑体表面，使海绵在水中仅下底层与水面接触，整个光热蒸馏过程发生一个密闭的腔室内，腔室顶部为凸透镜结构，并在腔室底部预留小孔，使形成的水蒸气在腔室内壁冷凝后流入收集器中。本发明制备工艺简单，原材料经济易得，材料性能稳定，蒸馏回收效率高，具有大规模普及应用的价值，本发明所述的光热转换材料和光热蒸馏系统可应用家庭用水的净化，沿海地区海水淡化或野外旅游净化水的获取，也可应用于工业中污水的净化，本发明所述聚吡咯/聚氨酯光热转换材料还可用于保温隔热、光电储能等领域。
Description
技术领域
本发明涉及聚吡咯改性的聚氨酯光热转换海绵材料及其在水净化领域的应用。具体涉及一种基于聚吡咯/聚氨酯光热海绵的制备方法及其在水净化方面的应用。
背景技术
聚氨酯泡沫(PUF)具有制备工艺成熟，材料种类繁多且性能优异的特点，因而广泛应用于包装运输、保温隔热、航空航天、水处理等领域。尤其在以光热转换技术为基础的光热蒸馏领域，聚氨酯泡沫材料更能发挥其成本低、通孔海绵结构、保温隔热性能的优点，因而是作为光热水蒸发应用的优异载体。在光热蒸馏的应用中，除了载体，光热转换材料的选择也具有决定性的作用。聚吡咯一种具有共轭结构的无定型高分子材料，除了具有优异的导电性能，还具有优异的光吸收和热转换能力，是制备光热转换材料的新选择。与无机材料相比，聚吡咯与聚合物材料的相容性更好，而且吡咯单体可以在载体上原位聚合，因而其改性制备的复合材料更稳定可靠。光热蒸馏技术是通过光热转换材料将光能转换为热能，然后通过载体将待处理水源蒸发和净化，最后通过收集装置进行收集。该技术具有绿色环保，简单经济以及可持续发展等特点，无论是居家生活还是工业生产均具有很大的应用价值。但是目前所发展光热蒸馏材料存在材料性能不稳定、成本高、制备工艺复杂，系统热能转化率低等问题，从而限制了光热蒸馏技术的大规模普及。面对上述挑战，制备一种简单可靠的光热转换材料并设计一种高效便携的蒸馏系统是一项需要攻克的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便、经济的聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备方法，并利用该材料设计一种高效、便携的光热蒸馏系统，通过将太阳光能转换为热能，实现海水淡化以及污水净化的目的，该发明能够推动光热蒸馏技术在社会发展中的大规模应用。
为了实现上述目的，本发明设计了一种聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备方法及其应用。
本发明所提供的技术方案如下：
一种聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备方法，包括如下步骤：
(一)聚氨酯发泡海绵的制备
聚氨酯发泡海绵通过预聚体发泡法制备，首先按照二异氰酸酯和多元醇的摩尔比2.05～5.05:1的比例称取两组分，然后将两组分反应体系在三口烧瓶中混合均匀，反应温度升至60℃，搅拌条件下反应4小时得到聚氨酯预聚体；然后在室温下，按照质量比1:1的比例称取预聚体与发泡剂，并用高速搅拌机快速搅拌10-30s，然后在50℃的烘箱中干燥定型2h，即得到开孔的发泡聚氨酯海绵；
(二)聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备
首先用乙醇和丙酮超声清洗聚氨酯海绵，然后将处理后的海绵浸入到提前配置好的0.5mol/L的盐酸溶液中10min，使海绵表面充分浸润盐酸溶液，取出海绵，挤出多余的溶剂，然后将海绵放在有多孔支架的培养皿中，并加入适量的吡咯，培养皿中吡咯溶液高度低于支架，然后将容器密封置于0℃左右的冰箱中进行蒸汽聚合，聚合完成后取出，用乙醇溶液超声清洗至洗液的颜色不再变化，最后将复合海绵烘干备用。
进一步的，所述的多元醇为三官能度的聚醚多元醇或聚酯多元醇。
进一步的，所述的二异氰酸醋为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、1,6-已二异氰酸酯、苯二亚甲基异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、蔡-1,5-二异氰酸酯中的一种或几种。
进一步的，所述蒸汽聚合所用氧化剂为FeCl3溶液。
进一步的，一种聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的应用，应用在光热蒸馏系统中：
首先选择合适的水面支撑体，并在中间预留大孔，将光热海绵置于支撑体表面，使海绵在水中仅下底层与水面接触，确保海绵上面的光热层高效的光热转换，又不影响下层的水运输过程，整个光热蒸馏过程发生一个密闭的腔室内，腔室顶部为凸透镜结构，并在腔室底部预留小孔，使形成的水蒸气在腔室内壁冷凝后流入收集器中。
进一步的，所述支撑体为聚苯乙烯泡沫，酚醛泡沫板或其他低密度的支撑材料。
本发明具有的优点是：
本发明制备工艺简单，原材料经济易得，材料性能稳定，蒸馏回收效率高，具有大规模普及应用的价值。本发明所述的光热转换材料和光热蒸馏系统可应用家庭用水的净化，沿海地区海水淡化或野外旅游净化水的获取，也可应用于工业中污水的净化。本发明所述聚吡咯/聚氨酯光热转换材料还可用于保温隔热、光电储能等领域。
附图说明
图1(a)自制发泡聚氨酯海绵的实物图；
图1(b)聚吡咯/聚氨酯原位蒸汽聚合样品的实物；
图2是聚吡咯/聚氨酯光热转换海绵的制备和光热蒸馏过程的原理图；
图3是所制备的光热蒸馏材料在1个太阳光(1-sun)下的蒸馏性能表征图；
图4是所制备光热转换材料在光热蒸馏系统中的循环稳定性能表征图。
具体实施方式
以下是本发明的几个具体实施例，进一步说明本发明，但是本发明不仅限于此。
实施例：
将聚醚多元醇330N和二苯基甲烷二异氰酸酯按本发明中的比例在三口烧瓶中混合，然后反应体系在60℃的油浴中反应4h，得到聚氨酯预聚体。称取适量的聚氨酯预聚体，并加入等质量的水，用高速搅拌机快速搅拌10s，然后放入50℃的烘箱中固化定型，脱模后即得到均质开孔的聚氨酯海绵(图1a)。
利用本发明技术方案中聚吡咯改性聚氨酯海绵的方法，使聚吡咯在聚氨酯海绵表面原位蒸汽聚合。具体是先配制0.5mol/L的FeCl3溶液，然后将海绵充分浸润在FeCl3溶液中。然后将表面涂有FeCl3溶液的海绵放在一个高度1cm芳纶蜂窝支架上，支架放在玻璃培养皿中，并在培养皿中加入高度0.5cm的吡咯溶液，最后整个反应装置密封放入0℃烘箱中蒸汽聚合。聚合完成后取出，在乙醇中超声清洗，晾干即得到所制备的光热转换复合海绵。(图1b)
本发明所设计的蒸馏系统的蒸馏原理图和结构图如图2所示。
对所做光热转换样品和蒸馏系统进行表征，表征结果如图3和图4所示。
实验测试结果表明：本发明所制备的聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵和光热蒸馏系统具有优异的蒸馏回收性能和循环稳定性能。
一种聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备方法及其应用：
(一)聚氨酯发泡海绵的制备
聚氨酯发泡海绵通过预聚体发泡法制备，首先按照二异氰酸酯和三官能度的聚醚或聚酯多元醇的摩尔比2.05～5.05:1的比例称取两组分，然后将两组分反应体系在三口烧瓶中混合均匀，反应温度升至60℃，搅拌条件下反应4小时得到聚氨酯预聚体。然后在室温下，按照质量比1:1的比例称取预聚体与发泡剂(去离子水)，并用高速搅拌机快速搅拌10-30s，然后在50℃的烘箱中干燥定型2h，即得到开孔的发泡聚氨酯海绵。
(二)聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备
首先用乙醇和丙酮超声清洗聚氨酯海绵，然后将处理后的海绵浸入到提前配置好的0.5mol/L的盐酸溶液中10min，使海绵表面充分浸润盐酸溶液。取出海绵，挤出多余的溶剂，然后将海绵放在有多孔支架的培养皿中，并加入适量的吡咯(培养皿中吡咯溶液高度低于支架)，然后将容器密封置于0℃左右的冰箱中进行蒸汽聚合。聚合完成后取出，用乙醇溶液超声清洗至洗液的颜色不再变化。最后将复合海绵烘干备用。
(三)光热蒸馏系统的设计
为了充分发挥光热转换海绵的作用，提高净化水收集效率，本发明设计以下蒸馏系统。
首先选择合适的水面支撑体，如聚苯乙烯材料，并在材料中间预留大孔，将光热海绵置于支撑体表面，使海绵在水中仅下底层与水面接触。这样的设计即能确保海绵上面的光热层高效的光热转换，又不影响下层的水运输过程。整个光热蒸馏过程发生一个密闭的腔室内，腔室顶部为凸透镜结构，并在腔室底部预留小孔，使形成的水蒸气在腔室内壁冷凝后流入收集器中。
经测试本发明所得光热转换材料和光热蒸馏系统，在一个太阳光下的蒸馏速率最低可达0.914kg·m-2·h-1，光热蒸馏效率在80％左右。在一天8h的使用中，1m2的材料可满足最低3人的饮用水需求。本发明制备简便、成本低、无污染且效果明显，因此具有很大的普适性。
本发明所述的泡沫材料为自发泡聚氨酯海绵或商业聚氨酯海绵。
本发明所述的多元醇为三官能度的聚醚多元醇或聚酯多元醇。
本发明所述的异氰酸醋为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、1,6-已二异氰酸酯、苯二亚甲基异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、蔡-1,5-二异氰酸酯等的一种或几种。
本发明所述聚吡咯的聚合方法为蒸汽聚合法，所用氧化剂为FeCl3溶液。
本发明所述大孔支撑体为聚苯乙烯泡沫，酚醛泡沫板或其他低密度的支撑材料。
Claims (6)
1.一种聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(一)聚氨酯发泡海绵的制备
聚氨酯发泡海绵通过预聚体发泡法制备，首先按照二异氰酸酯和多元醇的摩尔比2.05～5.05:1的比例称取两组分，然后将两组分反应体系在三口烧瓶中混合均匀，反应温度升至60℃，搅拌条件下反应4小时得到聚氨酯预聚体；然后在室温下，按照质量比1:1的比例称取预聚体与发泡剂，并用高速搅拌机快速搅拌10-30s，然后在50℃的烘箱中干燥定型2h，即得到开孔的发泡聚氨酯海绵；
(二)聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备
首先用乙醇和丙酮超声清洗聚氨酯海绵，然后将处理后的海绵浸入到提前配置好的0.5mol/L的盐酸溶液中10min，使海绵表面充分浸润盐酸溶液，取出海绵，挤出多余的溶剂，然后将海绵放在有多孔支架的培养皿中，并加入适量的吡咯，培养皿中吡咯溶液高度低于支架，然后将容器密封置于0℃左右的冰箱中进行蒸汽聚合，聚合完成后取出，用乙醇溶液超声清洗至洗液的颜色不再变化，最后将复合海绵烘干备用。
2.根据权利要求1所述的聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备方法，其特征在于：所述的多元醇为三官能度的聚醚多元醇或聚酯多元醇。
3.根据权利要求1所述的聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备方法，其特征在于：所述的二异氰酸醋为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、1,6-已二异氰酸酯、苯二亚甲基异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、蔡-1,5-二异氰酸酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的制备方法，其特征在于：所述蒸汽聚合所用氧化剂为FeCl3溶液。
5.一种聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的应用，其特征在于：应用在光热蒸馏系统中：
首先选择合适的水面支撑体，并在中间预留大孔，将光热海绵置于支撑体表面，使海绵在水中仅下底层与水面接触，确保海绵上面的光热层高效的光热转换，又不影响下层的水运输过程，整个光热蒸馏过程发生一个密闭的腔室内，腔室顶部为凸透镜结构，并在腔室底部预留小孔，使形成的水蒸气在腔室内壁冷凝后流入收集器中。
6.根据权利要求5中的聚吡咯/聚氨酯光热复合海绵的应用，其特征在于：所述支撑体为聚苯乙烯泡沫，酚醛泡沫板或其他低密度的支撑材料。
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