CN110725024A - 一种纤维状光热转换材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维状光热转换材料的制备方法，是将吸光材料、聚合物和助溶剂混匀，均匀分散在水中得到反应液，然后将反应液经干湿法纺丝，拉伸，卷曲得到初生纤维，再后处理得到纤维状光热转换材料。本发明方法可适用的材料来源广泛，制备得到的纤维状光热材料可以根据不同的需求，进行编制等进一步加工，拓展其应用范围；本发明方法只需在成熟的干湿法纺丝基础上就可完成，无需提供额外的设备，成本投入降低，过程和工艺简单。

Description

一种纤维状光热转换材料的制备方法

技术领域

本发明涉及光热转换材料技术领域，更具体地，涉及一种纤维状光热转换材料的制备方法。

背景技术

随着社会发展，人口增加，水资源污染等问题使的可利用的淡水资源日益短缺。污水处理回收再利用和海水淡化等水处理方式用于缓解淡水短缺的问题。污水处理常用的方法有吸附法、超滤法、反渗透法、沉淀法等；海水淡水成熟的技术手段有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法等。这些方法需要专业的设备和技术、价格昂贵、大面积用地，而且需要消耗大量的能源，产生大量的二氧化碳等含碳化合物。虽然可以获取淡水，但是既能源增加了负担，也带来了新的环境问题，而且上述技术手段不适合偏远贫困地区。太阳能光热转换材料是一种能吸收太阳光并转化成热能用于加速水分蒸发的材料，可被用于海水淡化、废水处理等诸多领域，是一种节能环保可持续的淡化水生产方式，可以实现零液体排放。

目前石墨烯、氧化石墨烯等吸光材料被广泛用于制备光热材料。碳化木材、玉米芯的途径也用于制备光热材料，或者是利用多孔材料搭载炭黑颗粒、聚吡咯等吸光材料的方法制备光热材料。尽管目前制备光热材料的方法已经多样化，但是仍然存在部分问题。例如：中国专利CN109206553A公开了一种太阳能光热转换材料，将吸光材料、水溶性单体、引发剂和交联剂混合分散在水中，得到反应液；或者，将吸光材料、水溶性聚合物和交联剂混合分散在水中，得到反应液；用海绵吸附上述反应液，经凝胶化，得到水凝胶，再经多次循环冻融后，冷冻干燥，并溶于水至饱和溶胀，得到所述太阳能光热转换材料。梅涛等(2017)公开了一种高效光热转化发热聚酯纤维的制备方法，采用熔融共混挤出，将高效率光热转化粉末材料碳化钛均匀分散到聚酯中，再以制备的复合聚酯材料与聚酯进行共混、熔融纺丝，即制备得到不同比例的TiC的高效光热转化发热聚酯纤维(梅涛,郭启浩,吴永智,等.高效光热转化发热聚酯纤维的制备与性能研究[J].离子交换与吸附,2017,33(3):271-279.)上述公开的光热纤维制备步骤繁琐复杂，在设计制备光热材料的过程中涉及高温、强酸、强碱等环境，而且原料选用单一，材料的形态也局限于某一种形态，例如海绵、泡沫等，不符合绿色环保的要求。而且目前光热材料的制备方法只适用某一种或几种吸光材料、基底材料等，无法大范围推广。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种纤维状光热转换材料的制备方法，可以解决上述制备步骤繁琐复杂，能耗高、方法局限等问题。

本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：

一种纤维状光热转换材料的制备方法，将吸光材料、聚合物和助溶剂混匀，均匀分散在溶剂中得到反应液，然后将反应液经干湿法纺丝，拉伸，卷曲得到初生纤维，再后处理得到纤维状光热转换材料。

本发明通过物理或者化学方法将吸光材料固定在聚合物的基底上。在高聚物未固化前，通过选择合适的助溶剂，将吸光材料均匀地分散在聚合物的溶液中。然后采用干湿法纺丝法，将混合溶液从注射装置流出，经凝固液固化，聚合物固化后，吸光材料被束缚在聚合物中，从而稳定地和聚合物结合一起，再经拉伸，卷曲得到初生纤维，经后处理工艺后得到纤维状光热转换材料。本发明的方法材料选用广泛，技术适用范围广泛，吸光材料、聚合物等可以进行选择。所述干湿法纺丝为本领域成熟的工艺，通过将纺丝溶液从喷丝头压出后，先经过一段气体(一般是空气)层(气隙)，然后进入凝固浴固化。

优选地，所述聚合物为天然高聚物或合成高聚物。

优选地，所述吸光材料和天然高聚物按质量比(0.5～20)：(1～10)溶解在助溶剂中；吸光材料和合成高聚物按质量比(0.5～20)：(10～90)溶解在相应的助溶剂中。

优选地，所述吸光材料为金属纳米颗粒、碳纳米材料、有机光热材料和半导体光热纳米材料中的一种或者多种。

优选地，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、钯纳米颗粒、铂纳米颗粒或者铝纳米颗粒，所述碳纳米材料为墨汁、碳黑、碳粉、多孔碳、碳纳米管、石墨烯、烟灰或者富勒烯，所述有机光热材料包括聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚多巴胺、吲哚菁绿或者普鲁士蓝，所述半导体光热纳米材料包括硫化铜、硒化铜、硫化铋、硒化铋、硫化钨、氧化钨、二氧化钛、三氧化二钛、硫化铁或者硫化钼。

所述高聚物为适用于干湿法纺丝的高聚物。优选地，所述天然聚合物为海藻酸钠、壳聚糖、琼脂、魔芋葡甘聚糖、透明质酸钠、纤维素、卡拉胶、甲壳胺中的一种或多种；合成高聚物为三聚氰胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯或聚乙烯醇中的一种或多种。

本发明的助溶剂应有利于吸光材料在溶剂中均匀的分散；有利于天然/合成高聚物在溶剂中的溶解或者分散；助溶剂应根据选用的光热材料、天然/合成高聚物的种类、以及溶剂的种类进行选择；例如水、醋酸等。

本发明的凝固液的种类根据天然/合成高聚物的种类具体选定，例如天然高聚物为海藻酸钠，凝固液可以选用氯化钙溶溶液；天然高聚物为壳聚糖，凝聚液可以选用氢氧化钠/乙醇/硫酸钠/水；合成高聚物为聚丙烯腈，凝固浴可以选用硫氰酸钠水溶液。合成高聚物为三聚氰胺，凝固浴可以选用热空气、硫酸/硫酸钠水溶液等。

优选地，所述后处理为干燥。

优选地，所述干燥为自然干燥、鼓风干燥、冷冻干燥或真空干燥。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种纤维状光热转换材料的制备方法，所述方法可适用的材料来源广泛，制备得到的纤维状光热材料可以根据不同的需求，进行编制等进一步加工，拓展其应用范围；本发明方法只需在成熟的干湿法纺丝基础上就可完成，无需提供额外的设备，成本投入降低，过程和工艺简单。同时本发明制备的纤维状光热转换材料具有优异的光热性能，该材料对太阳光的吸收度可以达97％左右。在一个太阳光照强度下照射5分钟可以达到平衡温度65℃。

附图说明

图1为本发明纤维状光热转换材料的制备流程图。

图2为本发明实施例1制备的纤维状光热转换材料的实物图。

图3为本发明实施例1制备的纤维状光热转换材料的扫描电子显微镜图像；左图为纤维光热转换材料的表面(放大倍数20)，右图为纤维光热转换材料横截面(放大倍数50)。

图4为本发明实施例1纤维光热材料对太阳光的吸收光谱。

图5为本发明实施例1制备的纤维状光热转换材料在一个太阳辐射强度下照射的红外照片。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

图1为本发明纤维状光热转换材料的制备流程图，下面以几个具体实施方式来说明本发明的意图。

实施例1

海藻酸钠-墨汁光热纤维的制备

将5g墨汁、2g海藻酸钠共同溶解在100mL去离子水中。溶液脱泡后，经计量泵，从喷丝孔喷出，经过质量浓度为5％的氯化钙溶液的凝固浴，经过卷曲装置进行收集纤维，去离子水清洗纤维表面残留的凝固液，经干燥后即可的到海藻酸钠-墨汁-纤维光热转换材料。

图2为制备的光热纤维转换材料的实物图；可见光热纤维转换材料呈卷曲状，可以根据不同的需求，进行编制等进一步加工，拓展其应用范围。

图3为其对应的扫描电子显微镜图片，我们可以观察到，纤维的表面是具有粗糙的结构，粗糙结构有利于纤维材料对光的系吸收。

图4为纤维的紫外可见近红外吸收光谱。可以发现，纤维在整个太阳光光谱范围内均有很强的吸收能力，对太阳光的吸收度在97％左右。

图5为纤维在太阳光模拟器下进行照射，红外成像仪拍摄图。照射条件为一个太阳光强度，25℃，初始温度为25℃左右，照射一分钟后，纤维可以升温至40℃左右，三分钟内升温至50℃左右，5分钟后可以达到平衡温度65℃，表明所述光热纤维转换材料具有优异的光热性能。

实施例2s

甲壳胺-炭黑光热纤维的制备

将0.5g炭黑、3g的甲壳胺、4g醋酸溶液(助溶剂)加入在100mL的去离子水中，配成反应液，超声混合均匀。溶液经计量泵，从喷丝孔喷出，经过质量浓度为2％的氢氧化钠钙溶液的凝固浴，经过卷曲装置进行收集纤维，去离子水清洗纤维表面残留的凝固液，经干燥后即可的到甲壳胺-炭黑-纤维光热转换材料。所述纤维状光热转换材料具有优异的光热性能。

实施例3

维纶-聚吡咯光热纤维的制备

将15g聚乙烯醇和3g聚吡咯溶解在100g水中，使用超声分散均匀，经离心脱泡处理后，溶液经计量泵，从喷丝孔喷出，经过饱和的硫酸钠溶液凝固浴，卷曲装置收集纤维，然后在催化剂硫酸存在下，与甲醛进行缩醛化反应，温度约70℃，时间20～30分钟，经水洗，上油即得维纶-聚吡咯光热纤维。所述纤维状光热转换材料具有优异的光热性能。

实施例4

魔芋葡甘聚糖-纳米银光热纤维的制备

将0.5g纳米银颗粒分散在1L的水中，使用超声分散均匀。在将10g魔芋葡甘聚糖溶解在上述的纳米银溶液中。经离心脱泡处理后，溶液经计量泵，从喷丝孔挤出，经过质量分数为10％的NaOH溶液凝固浴，卷曲装置收集纤维。经冷冻干燥后，即得到魔芋葡甘聚糖-纳米银光热纤维的制备。所述纤维状光热转换材料具有优异的光热性能。

Claims (8)

1.一种纤维状光热转换材料的制备方法，其特征在于，将吸光材料、聚合物和助溶剂混匀，均匀分散在水中得到反应液；然后将反应液经干湿法纺丝，拉伸，卷曲得到初生纤维，再后处理得到纤维状光热转换材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物为天然高聚物或合成高聚物。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述吸光材料和天然高聚物按质量比(0.5～20)：(1～10)溶解在助溶剂中；吸光材料和合成高聚物按质量比(0.5～20)：(10～90)溶解在助溶剂中。

4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述吸光材料为金属纳米颗粒、碳纳米材料、有机光热材料和半导体光热纳米材料中的一种或者多种。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、钯纳米颗粒、铂纳米颗粒或铝纳米颗粒；所述碳纳米材料为墨汁、碳黑、碳粉、多孔碳、碳纳米管、石墨烯、烟灰或富勒烯；所述有机光热材料包括聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚多巴胺、吲哚菁绿或普鲁士蓝；所述半导体光热纳米材料包括硫化铜、硒化铜、硫化铋、硒化铋、硫化钨、氧化钨、二氧化钛、三氧化二钛、硫化铁或硫化钼。

6.根据权利要求2或3的制备方法，其特征在于，所述天然聚合物为海藻酸钠、壳聚糖、琼脂、魔芋葡甘聚糖、透明质酸钠、纤维素、卡拉胶、甲壳胺中的一种或多种；合成高聚物为三聚氰胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯或聚乙烯醇的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述后处理为干燥。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述干燥为自然干燥、鼓风干燥、冷冻干燥或真空干燥。

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