CN110846752A - 高效光热水蒸发材料制备装置和方法 - Google Patents

高效光热水蒸发材料制备装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效光热水蒸发材料制备装置和方法，包括对喷式纳米纤维成纱装置和光热转换材料喷涂装置，对喷式纳米纤维成纱装置包括受驱动旋转的集纤成纱圆盘、静电纺丝喷头、高压发生器、导纱孔盘、牵引辊和纱筒架，静电纺丝喷头沿集纤成纱圆盘轴对称设置，高压发生器与静电纺丝喷头电连接，导纱孔盘与集纤成纱圆盘对应设置，牵引辊和纱筒架依次设置于导纱孔盘的下游，光热转换材料喷涂装置沿集纤成纱圆盘与导纱孔盘之间的纳米纤维加捻三角锥的周向均匀间隔设置。本发明保证了光热转换材料分布的均匀性，提高了光热转换材料与纳米纤维结合的稳定性，能够有效提高光热水蒸发效率，实现了高效光热水蒸发材料的一步法批量化制备，生产效率提高。

Description

高效光热水蒸发材料制备装置和方法
技术领域
本发明属于纳米纤维纺织的技术领域，特别是涉及一种高效光热水蒸发材料制备装置和方法。
背景技术
作为地球上最丰富的一种化合物，水几乎覆盖了在3/4的地球表面。地球上水资源丰富，然而96.5％的水资源分布在海洋，不能直接饮用和用于生活生产活动。此外，仅有的淡水资源还面临水资源分布的不均衡、全球人口急剧增长、工业化城镇化用水需求激增、水污染日趋严重等问题。
海水淡化成为人类社会特别是缺水地区获取淡水的首选方案。目前成熟的海水淡化方式包括膜法和热法，如RO反渗透膜的使用和多级闪蒸技术。然而这两种主要方式均需要消耗化石能源，如反渗透膜法处制取一吨淡水需消耗4-5kWh电能，淡化海水的同时不可避免地加剧温室效应。
与上述技术相比，太阳能蒸馏海水技术具有不消耗化石能源、不受位置条件限制、无污染、安全可靠等独特优势。传统的太阳能蒸馏技术利用太阳光照将引入的海水整体加热，海水蒸发冷凝后获得淡水。由于是对海水的整体加热，太阳能的利用效率很低，仅为20-40％左右。
界面水蒸发是近期兴起的一种新型光热水蒸发形式。通过合理的材料结构设计对光热转化作用、水分传输、热量分布进行有效管理可以大幅提升光热材料的转换效率和光热水蒸发效率。
纺织材料结构具有优异的多级组装特征，同时表现出杰出的使用性能。以纤维为单元的纤维集合体在光热转换材料结构设计、水分传输和热量分布管理拥有得天独厚的技术优势。
当将聚合物纤维直径从微米尺度降至亚微米尺度或纳米尺度时，就会出现一系列特性。如非常大的体积比表面积，纳米纤维的体积比表面积基本是微米纤维的1000倍；可以灵活地进行表面功能化；与其他已知材料形式相比所表现出优越的效应和机械性能，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应及刚度、抗张强度等。这些特性使得纳米纤维成为许多重要应用的首选材料，在高效过滤、生物医用、智能传感等领域极具发展潜力。
碳基小尺度材料、等离激元材料具有良好的光谱吸收和热转换特性。合理地将这类材料分布固着在纳米纤维集合体表面有利于大幅提升材料的光热转换能力。与此同时，纳米纤维构建的众多毛细通道有利于水分纵向传输和横向铺展的有效管理。开发纤维基多级集合体材料对推动光热水蒸发材料性能和应用具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高效光热水蒸发材料制备装置和方法，解决目前光热水蒸发材料生产效率低、光热水蒸发效率低、光热转换材料分布不充分、转换热管理和水分管理不协调等问题，实现高效光热水蒸发材料的一步法批量化制备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种高效光热水蒸发材料制备装置，包括对喷式纳米纤维成纱装置，所述对喷式纳米纤维成纱装置包括受驱动旋转的集纤成纱圆盘、静电纺丝喷头、高压发生器、导纱孔盘、牵引辊和纱筒架，所述静电纺丝喷头沿集纤成纱圆盘轴对称设置，所述高压发生器与静电纺丝喷头电连接，所述导纱孔盘与集纤成纱圆盘对应设置，所述牵引辊和纱筒架依次设置于导纱孔盘的下游，还包括若干光热转换材料喷涂装置，所述若干光热转换材料喷涂装置沿集纤成纱圆盘与导纱孔盘之间的纳米纤维加捻三角锥的周向均匀间隔设置。
所述集纤成纱圆盘通过第一伺服电机驱动旋转，所述纱筒架通过第三伺服电机驱动纱筒转动。
所述静电纺丝喷头通过绝缘传动轴与第二伺服电机连接并通过第二伺服电机驱动沿垂直于集纤成纱圆盘轴向进行位置调节。
所述光热转换材料喷涂装置包括气动喷枪、光热转换材料补给箱和带减压阀的空气压缩机，所述光热转换材料补给箱与气动喷枪供料连接，所述气动喷枪通过空气压缩机提供喷料压强。
所述光热转换材料补给箱内装载有经过超声波均匀分散的光热转换材料纳米颗粒物分散液，各光热转换材料喷涂装置的光热转换材料补给箱内装载的光热转换材料的粒径或者成分相同或者不同。
所述光热转换材料喷涂装置设置为两套且沿纳米纤维加捻三角锥轴对称分布。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种高效光热水蒸发材料制备方法，使用了上述的高效光热水蒸发材料制备装置，包括以下步骤：
(1)分别调节两侧静电纺丝喷头的相对位置和喷丝方向；
(2)分别向两侧的静电纺丝喷头中注入高聚物纺丝液；
(3)启动集纤成纱圆盘转动并调节转速；
(4)启动静电纺丝喷头，打开高压发生器并调节纺丝电压，至静电纺丝喷头产生连续稳定的纺丝射流；
(5)所述纺丝射流拉伸固化沉积在旋转的集纤成纱圆盘上；
(6)将沉积在集纤成纱圆盘上的纳米纤维束引出形成纳米纤维加捻三角锥；
(7)分别向光热转换材料喷涂装置中注入光热转换材料，启动光热转换材料喷涂装置向纳米纤维加捻三角锥喷射光热转换材料；
(8)所述纳米纤维束与光热转换材料在纳米纤维加捻三角锥的区域连续附着沉积，并经过加捻牵伸形成负载光热转换材料的取向纳米纤维复合纱；
(9)所述纳米纤维复合纱通过牵引辊牵引依次经过导纱孔盘和牵引辊并连续输送至纱筒架卷绕收集。
有益效果
本发明在形成纳米纤维加捻三角区的过程中喷涂光热转换材料，纳米纤维束与光热转换材料能够相互附着沉积并加捻形成一体的取向纳米纤维复合纱，不仅纱线的表层涂敷有光热转换材料，而且纱体中各根纳米纤维的表面都涂敷有光热转换材料，使得光热转换材料在复合纱中得到了充分分散，保证了光热转换材料分布的均匀性，且提高了光热转换材料与纳米纤维结合的稳定性。纳米纤维沿纱线取向排列形成了大量的毛细通道，保证了水分输运过程中微元水与光热转换材料的充分接触，采用负载光热转换材料的取向纳米纤维复合纱制成的光热水蒸发材料能够保证转换热管理和水分管理更加地协调，能够有效提高光热水蒸发效率。另外，本发明实现了高效光热水蒸发材料的一步法批量化制备，生产效率提高。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为本发明实施例的立体结构示意图。
图3为本发明实施例的俯视结构示意图。
图4为本发明实施例的侧面结构示意图。
图5为本发明实施例的正面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1-5所示的一种高效光热水蒸发材料制备装置，包括对喷式纳米纤维成纱装置和两套光热转换材料喷涂装置。
对喷式纳米纤维成纱装置包括受驱动旋转的集纤成纱圆盘11、静电纺丝喷头7、高压发生器10、导纱孔盘3、牵引辊15和纱筒架1。
集纤成纱圆盘11的材质为导电金属，呈部分球壳状，集纤成纱圆盘11与第一伺服电机9连接并通过第一伺服电机9驱动旋转。静电纺丝喷头7沿集纤成纱圆盘11轴对称设置形成对喷式结构，静电纺丝喷头7通过绝缘传动轴1201与第二伺服电机1202连接，并能够通过第二伺服电机1202驱动沿竖直方向进行升降位置调节。静电纺丝喷头7的电场由电场控制环1203控制，电场控制环1203与高压发生器10正极相连，高压发生器10电压调节范围为0-80kV。导纱孔盘3与集纤成纱圆盘11对应设置，牵引辊15和纱筒架1依次设置于导纱孔盘3的下游，纱筒架1通过第三伺服电机2驱动纱筒转动。。
两套光热转换材料喷涂装置对称设置于集纤成纱圆盘11与导纱孔盘3之间的纳米纤维加捻三角锥13的两侧。光热转换材料喷涂装置包括孔径0.5～10mm的气动喷枪5、光热转换材料补给箱4和带减压阀的空气压缩机，光热转换材料补给箱4与气动喷枪5供料连接，气动喷枪5通过减压阀与空气压缩机相连并通过空气压缩机提供喷料压强。光热转换材料喷涂装置可配备一套气动喷枪5***或者多套气动喷枪5***，流量可调节。光热转换材料补给箱4内装载有经过超声波均匀分散的光热转换材料纳米颗粒物分散液，各光热转换材料喷涂装置的光热转换材料补给箱4内装载的光热转换材料的粒径或者成分相同或者不同。
下面提供一种高效光热水蒸发材料制备方法，使用了上述的高效光热水蒸发材料制备装置，包括以下步骤：
(1)分别调节两侧静电纺丝喷头7的水平相对高度，使得喷丝方向朝向集纤成纱圆盘11；
(2)分别向两侧的静电纺丝喷头7中注入高聚物纺丝液；
(3)启动集纤成纱圆盘11转动并调节转速；
(4)启动静电纺丝喷头7，打开高压发生器15并调节纺丝电压，至静电纺丝喷头7产生连续稳定的纺丝射流8；
(5)纺丝射流8在高压静电场作用下飞向旋转的集纤成纱圆盘11，纺丝射流8运动过程中，溶剂挥发，纺丝射流8拉伸固化沉积在旋转的集纤成纱圆盘11上；
(6)将沉积在集纤成纱圆盘11上的纳米纤维束引出形成纳米纤维加捻三角锥13；
(7)分别向气动喷枪5中注入经过超声波充分分散的光热转换材料纳米颗粒物分散液，启动空气压缩机，设置减压阀压力，设置气动喷枪5喷射分散液的流量，打开气动喷枪5，向纳米纤维加捻三角锥13喷射光热转换材料；
(8)纳米纤维束与光热转换材料纳米颗粒6在纳米纤维加捻三角锥13的区域连续附着沉积，并经过加捻牵伸形成负载光热转换材料的取向纳米纤维复合纱；
(9)纳米纤维复合纱通过牵引辊15牵引依次经过导纱孔盘3和牵引辊15并连续输送至纱筒架1卷绕收集。
实施例1
采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液和采用纳米石墨粉与甲醇所配置的超声分散液制备可控高效率光热水蒸发材料。
配制PAN高聚物溶液的质量分数为10％，配制的纳米石墨粉分散液质量分数为5％。分别调节两对刷式静电纺丝喷头7距离纱轴为16cm及各自电场控制环1203的相对高度为2cm；分别向两对刷式静电纺丝喷头7注入高聚物纺丝液；分别启动两对刷式静电纺丝喷头7；打开集纤成纱圆盘11的第一伺服电机9并设置转速为30r/min；打开高压发生器15，缓缓调至45kV；大量纺丝射流8在高压静电场作用下飞向旋转的集纤成纱圆盘11，纺丝射流8运动过程中，溶剂挥发，纺丝射流8拉伸固化沉积在集纤成纱圆盘11上；将沉积在集纤成纱圆盘11上的纳米纤维束引出即可形成纳米纤维加捻三角锥13；分别向气动喷枪5中注入经过超声波充分分散的光热转换材料纳米颗粒物分散液，启动空气压缩机，设置减压阀压力为20Pa，设置气动喷枪5喷射分散液的流量，打开气动喷枪5，向纳米纤维加捻三角锥13喷射光热转换材料；纳米纤维束与光热转换材料在纳米纤维加捻三角锥13的区域连续附着沉积，并经过加捻牵伸形成负载光热转换材料的取向纳米纤维复合纱；纳米纤维复合纱通过牵引辊15牵引依次经过导纱孔盘3和牵引辊15并连续输送至纱筒架1卷绕收集。
实施例2
采用聚丙烯腈(PAN)与N-N二甲基甲酰胺(DMF)所配制的高聚物溶液和采用不同粒径纳米石墨粉(10nm和25nm)与甲醇所配置的超声分散液制备可控高效率光热水蒸发材料。
配制PAN高聚物溶液的质量分数为10％，配制的纳米石墨粉分散液质量分数为5％。分别调节两对刷式静电纺丝喷头7距离纱轴为16cm及各自电场控制环1203的相对高度为2cm；分别向两对刷式静电纺丝喷头7注入高聚物纺丝液；分别启动两对刷式静电纺丝喷头7；打开集纤成纱圆盘11的第一伺服电机9并设置转速为30r/min；打开高压发生器15，缓缓调至45kV；大量纺丝射流8在高压静电场作用下飞向旋转的集纤成纱圆盘11，纺丝射流8运动过程中，溶剂挥发，纺丝射流8拉伸固化沉积在集纤成纱圆盘11上；将沉积在集纤成纱圆盘11上的纳米纤维束引出即可形成纳米纤维加捻三角锥13；分别向两组气动喷枪5中注入经过超声波充分分散的10nm和25nm纳米颗粒物分散液，启动空气压缩机，设置减压阀压力为20Pa，设置气动喷枪5喷射分散液的流量，打开气动喷枪5，向纳米纤维加捻三角锥13喷射光热转换材料；纳米纤维束与光热转换材料在纳米纤维加捻三角锥13的区域连续附着沉积，并经过加捻牵伸形成负载光热转换材料的取向纳米纤维复合纱；纳米纤维复合纱通过牵引辊15牵引依次经过导纱孔盘3和牵引辊15并连续输送至纱筒架1卷绕收集。

Claims (7)

1.一种高效光热水蒸发材料制备装置，包括对喷式纳米纤维成纱装置，所述对喷式纳米纤维成纱装置包括受驱动旋转的集纤成纱圆盘(11)、静电纺丝喷头(7)、高压发生器(10)、导纱孔盘(3)、牵引辊(15)和纱筒架(1)，所述静电纺丝喷头(7)沿集纤成纱圆盘(11)轴对称设置，所述高压发生器(10)与静电纺丝喷头(7)电连接，所述导纱孔盘(3)与集纤成纱圆盘(11)对应设置，所述牵引辊(15)和纱筒架(1)依次设置于导纱孔盘(3)的下游，其特征在于：还包括若干光热转换材料喷涂装置，所述若干光热转换材料喷涂装置沿集纤成纱圆盘(11)与导纱孔盘(3)之间的纳米纤维加捻三角锥(13)的周向均匀间隔设置。
2.根据权利要求1所述的一种高效光热水蒸发材料制备装置，其特征在于：所述集纤成纱圆盘(11)通过第一伺服电机(9)驱动旋转，所述纱筒架(1)通过第三伺服电机(2)驱动纱筒转动。
3.根据权利要求1所述的一种高效光热水蒸发材料制备装置，其特征在于：所述静电纺丝喷头(7)通过绝缘传动轴(1201)与第二伺服电机(1202)连接并通过第二伺服电机(1202)驱动沿垂直于集纤成纱圆盘(11)轴向进行位置调节。
4.根据权利要求1所述的一种高效光热水蒸发材料制备装置，其特征在于：所述光热转换材料喷涂装置包括气动喷枪(5)、光热转换材料补给箱(4)和带减压阀的空气压缩机，所述光热转换材料补给箱(4)与气动喷枪(5)供料连接，所述气动喷枪(5)通过空气压缩机提供喷料压强。
5.根据权利要求4所述的一种高效光热水蒸发材料制备装置，其特征在于：所述光热转换材料补给箱(4)内装载有经过超声波均匀分散的光热转换材料纳米颗粒物分散液，各光热转换材料喷涂装置的光热转换材料补给箱(4)内装载的光热转换材料的粒径或者成分相同或者不同。
6.根据权利要求1所述的一种高效光热水蒸发材料制备装置，其特征在于：所述光热转换材料喷涂装置设置为两套且沿纳米纤维加捻三角锥(13)轴对称分布。
7.一种高效光热水蒸发材料制备方法，其特征在于使用了权利要求1-6中任意一条所述的高效光热水蒸发材料制备装置，包括以下步骤：
(1)分别调节两侧静电纺丝喷头(7)的相对位置和喷丝方向；
(2)分别向两侧的静电纺丝喷头(7)中注入高聚物纺丝液；
(3)启动集纤成纱圆盘(11)转动并调节转速；
(4)启动静电纺丝喷头(7)，打开高压发生器(15)并调节纺丝电压，至静电纺丝喷头(7)产生连续稳定的纺丝射流(8)；
(5)所述纺丝射流(8)拉伸固化沉积在旋转的集纤成纱圆盘(11)上；
(6)将沉积在集纤成纱圆盘(11)上的纳米纤维束引出形成纳米纤维加捻三角锥(13)；
(7)分别向光热转换材料喷涂装置中注入光热转换材料，启动光热转换材料喷涂装置向纳米纤维加捻三角锥(13)喷射光热转换材料；
(8)所述纳米纤维束与光热转换材料在纳米纤维加捻三角锥(13)的区域连续附着沉积，并经过加捻牵伸形成负载光热转换材料的取向纳米纤维复合纱；
(9)所述纳米纤维复合纱通过牵引辊(15)牵引依次经过导纱孔盘(3)和牵引辊(15)并连续输送至纱筒架(1)卷绕收集。
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