一种具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法和应用

本发明属于太阳能海水淡化，涉及一种具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法和应用。

背景技术：

1、随着城市化、工业发展和人口持续增长，能源危机和水资源短缺已经成为严重的全球性问题。由于地球上储存着丰富的海水，太阳能驱动的海水蒸发被认为是缓解淡水短缺的一种可持续的方法。太阳能海水蒸发能够大幅降低现有的海水淡化技术对能源的消耗，减少生产与工程应用过程中的温室气体排放，着力解决我国对淡水供应等的国计民生需要，具有不可或缺的生态效益。而该技术的关键在于宽光谱响应、高效光热转换的光热材料。近年来，用于太阳能海水蒸发技术的光热材料种类有光热纳米颗粒、膜材料、碳化天然材料、水凝胶、气凝胶和纤维材料。其中光热纤维膜材料因其柔韧性好、来源丰富、易于功能化等显著特性脱颖而出。

2、迄今为止已经报道了多种光热纤维膜材料和以其为核心的太阳能蒸发器。但由于光热纤维膜(如碳纤维材料等)存在亲水性差、二维平面蒸发效率受限、结构单一、制备工艺复杂和成本高昂等问题，使得光热纤维膜材料的光热海水蒸发效率较低。针对这一现状，对光热纤维膜的宏观/微观结构设计受到广泛关注，有望在高效太阳能海水淡化领域受到广泛应用。目前国内光热纤维膜市场存在空白，传统的碳纤维材料成本十分高昂，难以大规模应用于太阳能海水淡化产业。因此，亟需研发多尺度的光热纤维膜材料，构筑高效率的太阳能海水蒸发器。

3、中国专利申请cn201910633916.3公开了一种用于光热水蒸汽转化的聚乙烯醇碳纳米管凝胶材料，用聚乙烯醇颗粒加热溶解在去离子水中得a溶液，用去离子水稀释碳纳米管分散液，常温搅拌稀释得b溶液；依次混合戊二醛溶液，甲醇溶液，乙酸溶液，浓硫酸和去离子水，配置成c溶液；将a溶液、b溶液、c溶液和去离子水混合，常温搅拌待完全均匀混合后倒入模具承装；将用模具承装的溶液冷冻、解冻重复若干次；最后将冷冻的凝胶冷冻干燥处理完全，得到聚乙烯醇碳纳米管复合凝胶。该发明的有益效果是制备的聚乙烯醇/碳纳米管凝胶材料能够实现高效光热水蒸汽转化。但是，该发明中的聚乙烯醇碳纳米管凝胶材料的宏观结构定型严重依赖于模具，难以大面积拓展；另外，该凝胶材料只具有单一的微米多孔结构，材料内部所产生蒸汽难以向外扩散，蒸发速率受限。因此，如何获取一种可大面积工业制备、成本低且蒸发速率高的光热蒸发材料成为了目前一个主要的研究方向。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法和应用，具有原料来源广泛、制备工艺简便、成本较低等优点，制备的光热纤维膜材料具有灵敏且强大的太阳光吸收和光热转换性能：该材料表现出高达96.1％的太阳光吸收率，湿润材料表面温度能在200s内升温至约40.0℃(1.0kw m-2光照强度)，能够期待为获得环境友好型淡水获取提供一条高效途径。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的第一方面提供一种具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法，包括：

4、将光热纳米材料与聚合物、戊二醛混合，加热反应得到光热水凝胶前驱液；

5、在浸润有交联溶液的织物上涂覆光热水凝胶前驱液，静置反应，再在低温下反复冷冻解冻，干燥后得到光热纤维膜材料；

6、在光热纤维膜材料表面雕刻通道阵列，得到具有多尺度结构的光热纤维膜材料。

7、进一步地，所述光热纳米材料与聚合物、戊二醛的混合加热反应过程包括：

8、将光热纳米材料于水中在室温下超声分散，再加入聚合物在30～100℃下搅拌，之后加入戊二醛，在30～100℃下搅拌，得到光热水凝胶前驱液。

9、进一步地，所述光热水凝胶前驱液中，聚合物的质量含量为0.1-15％，光热纳米材料的质量含量为0.1-15％，戊二醛的体积含量为0.1-10％。

10、进一步地，所述光热纳米材料选自石墨烯、炭黑、碳纳米管、聚苯胺、聚多巴胺、聚吡咯中的一种或几种，所述光热纳米材料的平均颗粒尺寸为20-500nm。

11、进一步地，所述聚合物选自聚乙烯醇、羟乙基纤维素、海藻酸钠、壳聚糖中的一种或几种。

12、进一步地，超声分散过程中，超声功率为1-100w，超声时间为1-60min。

13、进一步地，所述织物具有层状结构，依次包括紧密织物层、粗纤维支撑空气层和紧密织物层；所述织物的材质选自聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚氨酯、棉、再生纤维中的一种或几种。

14、进一步地，所述交联溶液选自盐酸、硼酸和氯化钙水溶液中的一种或几种，浓度为0.1-2mol/l。

15、进一步地，所述光热水凝胶前驱液在织物上的涂覆厚度为1-1000μm。

16、进一步地，所述通道阵列通过激光雕刻得到，激光强度为1-80w，激光雕刻环境为空气气氛，通道直径为1-10mm。

17、本发明的第二方面提供一种采用如上所述方法制备得到的具有多尺度结构的光热纤维膜材料在太阳能海水淡化方面的应用。

18、本发明所涉及的主要材料(商用3d织物、光热材料和合成高分子聚合物等)均易大量获取且成本较低，多孔凝胶组分成型过程摆脱了模具大小限制。制备过程中涉及到的表面涂覆技术、冷冻干燥技术和激光雕刻技术的工业化应用均较成熟，因此该材料能够容易地实现工业化大面积制备，这对于光热纤维膜材料在太阳能海水淡化的产业化推广非常有益。另一方面，本发明所提出的光热纤维膜具有多尺度结构，包括纳米级水凝胶孔隙、微米级纤维网络和毫米级蒸汽通道阵列。孔隙和纤维网络的存在增大了光热蒸发界面面积，有利于更多蒸汽产生；而毫米级蒸汽通道阵列使产生的蒸汽快速扩散，避免蒸汽内部淤积，能够将光热纤维膜的蒸发速率提升近20％。

19、与现有技术相比，本发明具有以下特点：

20、1)本发明利用多尺度结构能够提高太阳光内部散射吸收，增大蒸发面积和增强蒸汽逃逸这一特点，设计出具有灵敏且强大的太阳光吸收和光热转换性能的光热纤维膜材料，解决了传统太阳能海水蒸发中二维光热纤维膜蒸发速率和蒸发效率较低的问题：

21、通过表面涂层改性来增强材料太阳光吸收和光热性能，所得材料具有250-2500nm范围内稳定的太阳光谱响应和高达96.1％的太阳光吸收率。在1.0kw m-2的模拟太阳光照下，干燥材料表面温度能在200s内升温至78.1℃，湿润材料表面温度能在200s内升温至约40.0℃。

22、同时多尺度结构设计大大增加蒸发表面积并增强了蒸汽扩散，应用于向光悬挂型太阳能海水蒸发器时蒸发速率为2.58kg m-2h-1，蒸发效率高达97％，高于目前大部分的光热纤维膜材料。在推动高效太阳能海水淡化领域发展方面具有重要的应用价值。该光热纤维膜材料的发展可提升我国在清洁太阳能源利用和淡水资源获取等方面的国际竞争力，促进我国在太阳能海水蒸发技术和相关产业的重大突破，为提高人民健康水平和生活质量做出重要贡献。

23、2)本发明制备工艺简单，原料来源广泛，所需成本低，可适用于批量生产。

技术特征：

1.一种具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法，其特征在于，所述光热纳米材料与聚合物、戊二醛的混合加热反应过程包括：

3.根据权利要求2所述的具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法，其特征在于，所述光热水凝胶前驱液中，聚合物的质量含量为0.1-15％，光热纳米材料的质量含量为0.1-15％，戊二醛的体积含量为0.1-10％。

4.根据权利要求3所述的具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法，其特征在于，所述光热纳米材料选自石墨烯、炭黑、碳纳米管、聚苯胺、聚多巴胺、聚吡咯中的一种或几种，所述光热纳米材料的平均颗粒尺寸为20-500nm；

5.根据权利要求2所述的具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法，其特征在于，超声分散过程中，超声功率为1-100w，超声时间为1-60min。

6.根据权利要求2所述的具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法，其特征在于，所述织物具有层状结构，依次包括紧密织物层、粗纤维支撑空气层和紧密织物层；所述织物的材质选自聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚氨酯、棉、再生纤维中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法，其特征在于，所述交联溶液选自盐酸、硼酸和氯化钙水溶液中的一种或几种，浓度为0.1-2mol/l。

8.根据权利要求1所述的具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法，其特征在于，所述光热水凝胶前驱液在织物上的涂覆厚度为1-1000μm。

9.根据权利要求1所述的具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法，其特征在于，所述通道阵列通过激光雕刻得到，激光强度为1-80w，激光雕刻环境为空气气氛，通道直径为1-10mm。

10.一种采用如权利要求1至9任一项所述方法制备得到的具有多尺度结构的光热纤维膜材料的应用，其特征在于，所述具有多尺度结构的光热纤维膜材料用于太阳能海水淡化。

技术总结
本发明属于太阳能海水淡化技术领域，涉及一种具有多尺度结构的光热纤维膜材料的制备方法与应用，制备方法包括：将光热纳米材料与聚合物、戊二醛混合，加热反应；再涂覆至浸润有交联溶液的织物上，静置反应，在低温下反复冷冻解冻，干燥，表面雕刻通道阵列，得到具有多尺度结构的光热纤维膜材料；该材料可用于太阳能海水淡化。与现有技术相比，本发明具有原料来源广泛、制备工艺简便、成本较低等优点，制备的多尺度光热纤维膜材料具有灵敏且强大的太阳光吸收和光热转换性能：该材料表现出高达96.1％的太阳光吸收率，湿润材料表面温度能在200s内升温至约40.0℃，能够期待为获得环境友好型淡水获取提供一条高效途径。

技术研发人员：陈志钢,胡金晶,张丽莎,刘子潇,孙艳,彭烨,余诺
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25