一种具有光热响应的玻璃纤维改性材料的制备方法及其应用

1.本发明涉及玻璃纤维的改性方法及其光热水蒸发应用技术领域，尤其涉及一种具有光热响应的玻璃纤维改性材料的制备方法及其应用。


背景技术：

2.随着我国经济社会的快速发展和人口增多水，水资源缺乏已成为制约经济社会发展的瓶颈之一。据统计，超过三分之一的世界人口面临着饮用水短缺的压力，而且预计到2025年这一数字将增长至三分之二。海水淡化技术通过去除盐分和固体杂质取得淡水成为淡水资源短缺问题的最佳解决途径之一，因此得到了人们持续的关注和研究。海水淡化常用的方法可以归为两大类：热法海水与淡化膜法海水淡化共同的缺点是能耗巨大、成本高，同时有二氧化碳(co2)温室气体排放。直接利用太阳能进行光热海水淡化，一方面可以解决能耗问题，另一方面由于阳光免费、易得，光热海水淡化的成本将大幅度降低，并且由于装置和操作简单，光热海水淡化的设备对安装地区、尤其是硬件不发达地区包容性高，将具有良好的应用前景。
3.专利文献cn111072083a公开了一种海水蒸发淡化膜材料，包括支撑层以及设置于所述支撑层上的聚合物
‑
纳米粒子复合薄膜层，所述聚合物
‑
纳米粒子复合薄膜层包括聚合物薄膜层以及与所述聚合物薄膜层复合的纳米粒子。所述制备方法包括：将支撑层依次与氧化剂的溶液、聚合物材料溶液和纳米粒子材料溶液接触，反应获得海水蒸发淡化膜材料。但该方法较为复杂，需进行高分子的共聚以及后续修饰的步骤，且采用的聚合物材料溶液制备体系为具有毒性的有机溶剂体系，不利于环保。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种具有光热响应的玻璃纤维改性材料的制备方法和应用，通过形貌调控使具有光热响应的玻璃纤维改性材料能用于光热水蒸发。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.本发明提供了一种具有光热响应的玻璃纤维改性材料的制备方法，包括如下步骤：
7.s1、将玻璃纤维材料加热预处理后，浸渍于吡咯单体溶液中；
8.s2、向步骤s1的吡咯单体溶液中加入fecl3·
6h2o的水溶液，搅拌混合均匀后反应，得具有光热响应的玻璃纤维改性材料。
9.优选地，步骤s1中，所述玻璃纤维材料在120
‑
180℃下加热预处理3
‑
5h；所述玻璃纤维材料包括玻璃纤维毡布、玻璃纤维织物中的至少一种。更优选玻璃纤维毡布。
10.优选地，步骤s1中，所述吡咯单体溶液的配制方法为：将吡咯单体滴加于溶剂中，搅拌混合均匀，即得；所述溶剂为水或水和乙醇的混合溶液。
11.优选地，所述吡咯单体与溶剂的体积比为0.55:100。
12.优选地，所述水和乙醇的混合体积比为25：75～100:0。更优选体积比为50:50。
13.优选地，所述浸渍时间为30min
‑
3h。
14.优选地，步骤s2中，所述fecl3·
6h2o的水溶液的配制方法为：将fecl3·
6h2o搅拌溶解于二次蒸馏水中，即得；
15.所述fecl3·
6h2o与二次蒸馏水的质量体积比为5
‑
10g：100ml。
16.优选地，步骤s2中，所述吡咯单体溶液与fecl3·
6h2o的水溶液的体积比为1:1，反应时间为2
‑
5h。
17.优选地，步骤s2中，所述具有光热响应的玻璃纤维改性材料的蒸发量为1.5kg/m2/h以上，蒸发效率为90.4％以上。
18.本发明还提供了一种根据前述方法制备的具有光热响应的玻璃纤维改性材料在制备海水蒸发淡化膜材料中的应用。
19.本发明首次将玻璃纤维作为海水蒸发淡化膜的基材，所需反应物简单，制备方法简单；且采用的制备体系为水体系或者水
‑
乙醇体系，更为环保。
20.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
21.第一，本发明使用化学氧化方法制备，相对于其他方法如电镀法、化学气相沉积法，化学氧化法操作简单，不需要基体导电，无需昂贵和复杂的制备仪器，且不会对周围环境造成不利影响，能够满足工业化生产的需求，具有较好的规模化制备应用前景。
22.第二，由于本发明制备的具有光热响应的玻璃纤维改性材料在250nm
‑
2500nm波长范围内具有较强的光吸收性能，能有效利用可见光及近红外波段的光热效应，光热水蒸发性能得到提升。
23.第三，本发明通过改变吡咯溶液溶剂中配制水和乙醇的混合溶液中水和乙醇的体积比，调控聚吡咯的表面形貌，从而提高具有光热响应的玻璃纤维改性材料的光吸收特性。前驱体溶剂全部为水时，吡咯均匀地吸附到玻璃纤维的表面，然后被氧化剂氧化成均匀的聚吡咯膜，样品的表面变得更粗糙。当溶剂中加入乙醇时，乙醇分子与玻璃纤维的结合力比水弱，与吡咯的结合力比水强。因此，吡咯在玻璃纤维的表面上参差排列，因此氧化后的表面变得粗糙。粗糙的表面利于增加光的散射，增强光的吸收。而当乙醇含量继续增加，吡咯分子难以附着在玻璃纤维的表面上，氧化后的聚吡咯颗粒不能完全覆盖在玻璃纤维表面，从而吸收降低。由此得到了光吸收性能最好的前驱体溶剂中水和乙醇的体积比。
24.第四，本发明制备的具有光热响应的玻璃纤维改性材料的光热水蒸发性能得到了较大的提升,在盐水中也可以保持稳定高速的蒸发速率。该具有光热响应的玻璃纤维改性材料的在纯水中蒸发量为1.5kg/m2/h以上，蒸发效率为90.4％以上；所述海水蒸发淡化膜材料对海水中离子的截留率在99.5％以上，所述离子包括na
+
、mg
2+
、ca
2+
、k
+
、b
3+
中的任意一种或两种以上的组合；所述海水蒸发淡化膜材料对有机染料的几乎完全去除。
附图说明
25.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
26.图1是本发明制备的具有光热响应的玻璃纤维改性材料的微观形貌图；
27.图2是本发明实施例1、2、3、4所得产物及对比原始玻璃纤维材料在250
‑
2500nm光
波段的吸收光谱图；
28.图3是本发明实施例3采用的原始玻璃纤维材料和所制备的具有光热响应的玻璃纤维改性材料的图片；其中图3a为原始玻璃纤维材料；图3b为玻璃纤维改性材料；
29.图4是本发明实施例3所制备的海水蒸发淡化膜材料经过不同条件处理后的机械性能测试结果示意图；
30.图5是本发明实施例3原始玻璃纤维材料和所制备的具有光热响应的玻璃纤维改性材料用于海水淡化实验的纯水蒸发量结果示意图；
31.图6是本发明实施例3原始玻璃纤维材料和所制备的具有光热响应的玻璃纤维改性材料用于海水淡化实验的3.5％盐水蒸发量结果示意图；
32.图7是本发明实施例3所制备的具有光热响应的玻璃纤维改性材料用于海水淡化实验；其中图7a为不同浓度的离子的截留率示意图；图7b为不同有机染料的去除效果。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
34.以下实施例提供了一种具有光热响应的玻璃纤维改性材料的制备方法，包括如下步骤：
35.s1、将玻璃纤维材料加热预处理后，浸渍于吡咯单体溶液中；
36.s2、向步骤s1的吡咯单体溶液中加入fecl3·
6h2o的水溶液，搅拌混合均匀后反应，得具有光热响应的玻璃纤维改性材料。
37.步骤s1中，所述玻璃纤维材料在120
‑
180℃下加热预处理3
‑
5h；所述玻璃纤维材料包括玻璃纤维毡布、玻璃纤维织物中的至少一种。
38.步骤s1中，所述吡咯单体溶液的配制方法为：将吡咯单体滴加于溶剂中，搅拌混合均匀，即得；所述溶剂为水或水和乙醇的混合溶液。
39.所述吡咯单体与溶剂的体积比为0.55:100。
40.所述水和乙醇的混合体积比为25：75～100:0。
41.所述浸渍时间为30min
‑
3h。
42.步骤s2中，所述fecl3·
6h2o的水溶液的配制方法为：将fecl3·
6h2o搅拌溶解于二次蒸馏水中，即得；
43.所述fecl3·
6h2o与二次蒸馏水的质量体积比为5
‑
10g：100ml。
44.步骤s2中，所述吡咯单体溶液与fecl3·
6h2o的水溶液的体积比为1:1，反应时间为2
‑
5h。
45.在以上条件下，都能制备得到具有光热响应的玻璃纤维改性材料。
46.实施例1
47.本实施例以吡咯前驱体溶液中，溶剂为100ml水为例对本发明的技术方案进行详细说明。
48.本实施例的具有光热响应的玻璃纤维改性材料的制备方法，包括以下步骤：
49.a.将玻璃纤维毡布在烘箱中120℃处理3h；
50.b.取吡咯单体0.55ml滴加于100ml水中，搅拌混合均匀，得到吡咯单体溶液；
51.c.将原始玻璃纤维材料浸渍于步骤b制备的均匀吡咯单体溶液中30min；
52.d.配制fecl3·
6h2o的水溶液，取8.65g fecl3·
6h2o，搅拌溶解于100ml去离子水中。
53.e.向步骤b处理后的吡咯单体溶液中滴加入fecl3·
6h2o的水溶液100ml，搅拌混合均匀后反应2h即得到黑色的聚吡咯
‑
玻璃纤维毡布。
54.f.将聚吡咯
‑
玻璃纤维毡布用去离子水和乙醇清洗多次至水中无残余黑色颗粒，于室温中晾干，命名为ppy/gff
‑
100。
55.上述所得具有光热响应的玻璃纤维改性材料ppy/gff
‑
100的微观形貌图如图1a所示，聚吡咯均匀地覆盖在玻璃纤维表面层，表面光滑。
56.图2为ppy/gff
‑
100在250nm
‑
2500nm波长范围内的光吸收图谱，可以发现，原始玻璃纤维毡布(图2所示的pristine gff)只在紫外光(<400nm)波长范围内具有很弱的光吸收，在可见光及红外光区域内几乎不具备光吸收能力。本发明制得的ppy/gff
‑
100在全光谱范围内具有很强的光吸收，吸收率达96.6％，极大提高了太阳能的利用率，为光热水蒸发提供保障。
57.实施例2
58.本实施例以吡咯前驱体溶液中，溶剂为75ml水和25ml乙醇为例对本发明的技术方案进行详细说明。
59.本实施例的具有光热响应的玻璃纤维改性材料的制备方法，包括以下步骤：
60.a.将玻璃纤维毡布在烘箱中120℃处理3h；
61.b.配制75ml水和25ml乙醇的混合溶液为溶剂；
62.c.取吡咯单体0.55ml滴加于溶剂中，搅拌混合均匀，得到吡咯单体溶液；
63.d.将原始玻璃纤维材料浸渍于步骤c制备的均匀吡咯单体溶液中30min；
64.e.配制fecl3·
6h2o的水溶液，取8.65g fecl3·
6h2o，搅拌溶解于100ml去离子水中。
65.f.向步骤c处理后的吡咯单体溶液中滴加入fecl3·
6h2o的水溶液100ml，搅拌混合均匀后反应2h即得到黑色的聚吡咯
‑
玻璃纤维毡布。
66.g.将聚吡咯
‑
玻璃纤维毡布用去离子水和乙醇清洗多次至水中无残余黑色颗粒，于室温中晾干，命名为ppy/gff
‑
75。
67.上述所得具有光热响应的玻璃纤维改性材料ppy/gff
‑
75的微观形貌图如图1b所示，聚吡咯均匀地覆盖在玻璃纤维表面层，表面和ppy/gff
‑
100相比稍显粗糙。
68.图2为ppy/gff
‑
75在250nm
‑
2500nm波长范围内的光吸收图谱，可以发现，原始玻璃纤维毡布(图2所示的pristine gff)只在紫外光(<400nm)波长范围内具有很弱的光吸收，在可见光及红外光区域内几乎不具备光吸收能力。本发明制得的ppy/gff
‑
75在全光谱范围内具有很强的光吸收，吸收率达97.0％，高于ppy/gff
‑
100，极大提高了太阳能的利用率，为光热水蒸发提供保障。
69.实施例3
70.本实施例以吡咯前驱体溶液中，溶剂为50ml水和50ml乙醇为例对本发明的技术方
案进行详细说明。
71.本实施例的具有光热响应的玻璃纤维改性材料的制备方法，包括以下步骤：
72.a.将玻璃纤维毡布在烘箱中120℃处理3h；
73.b.配制50ml水和50ml乙醇的混合溶液为溶剂；
74.c.取吡咯单体0.55ml滴加于溶剂中，搅拌混合均匀，得到吡咯单体溶液；
75.d.将原始玻璃纤维材料浸渍于步骤c制备的均匀吡咯单体溶液中30min；
76.e.配制fecl3·
6h2o的水溶液，取8.65g fecl3·
6h2o，搅拌溶解于100ml去离子水中。
77.f.向步骤c处理后的吡咯单体溶液中滴加入fecl3·
6h2o的水溶液100ml，搅拌混合均匀后反应2h即得到黑色的聚吡咯
‑
玻璃纤维毡布。
78.g.将聚吡咯
‑
玻璃纤维毡布用去离子水和乙醇清洗多次至水中无残余黑色颗粒，于室温中晾干，命名为ppy/gff
‑
50。
79.上述所得具有光热响应的玻璃纤维改性材料ppy/gff
‑
50的微观形貌图如图1c所示，聚吡咯均匀地覆盖在玻璃纤维表面层，表面比ppy/gff
‑
100和ppy/gff
‑
75相比稍显粗糙。随着乙醇含量在溶剂中的增加，样品表面逐渐粗糙。
80.图2为ppy/gff
‑
50在250nm
‑
2500nm波长范围内的光吸收图谱，可以发现，原始玻璃纤维毡布(图2所示的pristine gff)只在紫外光(<400nm)波长范围内具有很弱的光吸收，在可见光及红外光区域内几乎不具备光吸收能力。本发明制得的ppy/gff
‑
50在全光谱范围内具有很强的光吸收，吸收率达97.4％，高于ppy/gff
‑
100和ppy/gff
‑
75，极大提高了太阳能的利用率，为光热水蒸发提供保障。
81.图3为原始玻璃纤维毡布(图3a)和所制备的ppy/gff
‑
50(图3b)量产的照片，说明其能够满足工业化生产的需求，具有较好的规模化制备应用前景。
82.图4为ppy/gff
‑
50分别经过超声2h，在ph为1和ph为14的溶液中浸泡48h后的效果，仍能保持样品完整无损坏，机械性能良好。
83.图5是原始玻璃纤维材料(pristine gff)和所制备的具有光热响应的玻璃纤维改性材料(ppy/gff
‑
50)用于海水淡化实验的蒸发量结果示意图。ppy/gff
‑
50蒸发量远高于pristine gff，蒸发量为1.5kg/m2/h，蒸发效率为90.4％；
84.图6是所制备的具有光热响应的玻璃纤维改性材料用于海水淡化实验的3.5％盐水蒸发量结果示意图。蒸发量为1.47kg/m2/h，蒸发效率为88.2％,在60h连续工作下无盐析出在材料表面，蒸发速率保持稳定。
85.图7a是所制备的ppy/gff
‑
50用于海水淡化实验，对海水中离子的截留率在99.5％以上，所述离子包括na
+
、mg
2+
、ca
2+
、k
+
、b
3+
。
86.图7b是所制备的ppy/gff
‑
50用于海水淡化实验，对于有机染料甲基橙和亚甲基蓝几乎完全去除。
87.实施例4
88.本实施例以吡咯前驱体溶液中，溶剂为25ml水和75ml乙醇为例对本发明的技术方案进行详细说明。
89.本实施例的具有光热响应的玻璃纤维改性材料的制备方法，包括以下步骤：
90.a.将玻璃纤维毡布在烘箱中120℃处理3h；
91.b.配制25ml水和75ml乙醇的混合溶液为溶剂；
92.c.取吡咯单体0.55ml滴加于溶剂中，搅拌混合均匀，得到吡咯单体溶液；
93.d.将原始玻璃纤维材料浸渍于步骤a制备的均匀吡咯单体溶液中30min；
94.e.配制fecl3·
6h2o的水溶液，取8.65g fecl3·
6h2o，搅拌溶解于100ml去离子水中。
95.f.向吡咯单体溶液中滴加入fecl3·
6h2o的水溶液100ml，搅拌混合均匀后反应2h即得到黑色的聚吡咯
‑
玻璃纤维毡布。
96.g.将聚吡咯
‑
玻璃纤维毡布用去离子水和乙醇清洗多次至水中无残余黑色颗粒，于室温中晾干，命名为ppy/gff
‑
25。
97.上述所得具有光热响应的玻璃纤维改性材料ppy/gff
‑
25的微观形貌图如图1d所示，聚吡咯均匀地覆盖在玻璃纤维表面层，表面较为粗糙，但是开始有聚吡咯颗粒脱离玻璃纤维基体表面。
98.图2为ppy/gff
‑
25在250nm
‑
2500nm波长范围内的光吸收图谱，可以发现，原始玻璃纤维毡布(图2所示的pristine gff)只在紫外光(<400nm)波长范围内具有很弱的光吸收，在可见光及红外光区域内几乎不具备光吸收能力。本发明制得的ppy/gff
‑
25在全光谱范围内具有较强的光吸收，吸收率达95.5％，但是低于ppy/gff
‑
50，表明了吸收率最高的样品为ppy/gff
‑
50。
99.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。