CN111518317B - 一种高导热及传输水的复合薄膜材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导热及传输水的复合薄膜材料及其制备方法和应用，涉及材料工程技术领域，所述复合薄膜材料包含石墨烯和纤维素纳米纤维，通过将石墨烯和纤维素纳米纤维配置成混合溶液，然后超声分散、磁力搅拌均匀后抽滤并晾干成膜。本发明制备的复合薄膜材料具有丰富的亲水纳米孔道和紧密的石墨烯片层堆积，可以实现快速水传递和高热导率，可以快速的将光热转化所产生的热量传递给石墨烯层间的水纳米流体，从而加速水的蒸发。本发明的复合薄膜材料作为太阳能蒸发器应用时，在1倍太阳光的光强下，蒸发速率可以达到1.47kg m‑2h‑1，在3倍太阳光光强下其蒸发速率为4.51kg m‑2h‑1，而蒸发效率均保持在95％。

Description

一种高导热及传输水的复合薄膜材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及材料工程技术领域，尤其涉及一种高导热及传输水复合薄膜材料及其制备方法和应用。
背景技术
针对太阳光的光热能量转换在自然界中普遍存在，太阳能水蒸发材料便是受启发于地球生物圈中的水循环，通过将高导热的纳米碳材料(石墨烯)以及亲水的纳米生物高分子(纳米纤维素纤维)组装制备成复合材料薄膜，用于提高太阳能驱动的水蒸发过程，从而实现在较低光强下高的水蒸发效率。由于此种材料在其蒸发过程中不需要额外能源或化学试剂，可为海水淡化以及污水处理提供廉价、环保的解决方案，为解决人类社会所面临的日益严重的淡水资源短缺以及废水污染等问题提供便利。
目前针对太阳能水蒸发材料的研究，主要集中在纤维素材料碳化半导体纳米粒子组装，利用碳材料以及半导体材料的红外吸收度将太阳光能转化为热能，并且通过与亲水材料复合(如纤维素或吸水纸材料)将热能传递给水实现蒸发。
但是由于传统材料必须保留一部分空腔来保证水蒸气的扩散以及液态水的传递，导致材料表层吸收太阳光所产生的热量被空腔内的空气阻隔无法向材料内部传递，限制了蒸发效率的提高，尤其在低太阳光强下(1倍太阳强/1kW m-2)蒸发效率大多低于1.47kg m- 2h-1。所以迫切需要创新的材料设计思路来同时获得高的太阳光吸收率、水分子与热传导材料高效接触、表层光热在材料体系内的有效传递以及水分子快速传输通道。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种高导热及传输水的复合薄膜材料。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何开发一种高导热及传输水的复合薄膜材料，提高其作为太阳能水蒸发材料时的蒸发效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种高导热及传输水的复合薄膜材料，所述复合薄膜材料包含石墨烯和纤维素纳米纤维。
所述的高导热及传输水的复合薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将所述石墨烯和所述纤维素纳米纤维配置成混合溶液；步骤2、再将所述混合溶液在超声清洗器中超声分散，接着用磁力搅拌器搅拌，重复所述超声分散和所述搅拌过程最后得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液；步骤3、将所述石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液抽滤成膜，晾干得到所述复合薄膜材料。
进一步地，步骤1所述混合溶液中的所述石墨烯的质量百分比为50-90％。
进一步地，步骤1所述混合溶液中的所述纤维素纳米纤维为直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维。
进一步地，步骤2所述超声分散时间为2小时。
进一步地，步骤2所述搅拌时间为10分钟。
进一步地，步骤2所述重复次数为5次。
进一步地，步骤3所述抽滤以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底。
进一步地，步骤3所述晾干温度为室温。
所述的高导热及传输水的复合薄膜材料在太阳能蒸发器中的应用。
在本发明的技术效果如下：
1)本发明制备的复合薄膜材料，具有紧密层状结构，利用石墨烯纳米片层的紧密堆积实现表层光生热快速向内传递，石墨烯片层间紧密堆积可以促进薄膜内高效传热量，在室温条件下获得了高的导热率，热导率在室温条件下可以达到614W m-1k-1；同时由于纤维素本身具有5-15nm的直径,在石墨烯片层间形成支撑作用，形成纳米尺寸的亲水孔道，便于通过形成水分子水纳米流体，促进水分子的快速传递和受热蒸发。在光强为1倍太阳光(1KW m-2)条件下，水的蒸发效率最高可达1.47kg m-2h-1，在3倍太阳光光强下其蒸发速率为4.51kg m-2h-1，而蒸发效率均保持在95％，是一种极为优良的光热水蒸发材料。
2)原材料是基于天然物种的商业化产品，价格低廉、复合材料操作简单、不涉及任何有毒有害的物质。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1a)是本发明的较佳实施例所用纤维素纳米纤维AFM图像；1b)是本发明的一个较佳实施例所用石墨烯SEM图像
图2是本发明的较佳实施例的复合薄膜材料的1D/2D范德华异质结构示意图；
图3是本发明的较佳实施例的复合薄膜材料的SEM截面图像；
图4是本发明的较佳实施例的复合薄膜材料在200-2000nm下的光吸收率谱图；
图5是本发明的较佳实施例的复合薄膜材料的热导率图；
图6a)是本发明的较佳实施例的复合薄膜材料作为太阳能水蒸发器应用的俯视实物图；b)是本发明的较佳实施例的复合薄膜材料作为太阳能水蒸发器应用的侧视图；
图7是本发明的较佳实施例的复合薄膜材料在1倍太阳光下，0-600秒内热成像图；
图8a)是本发明的较佳实施例的复合薄膜材料在1倍太阳光强下蒸发效率图；b)本发明的较佳实施例的复合薄膜材料在3倍太阳光强下蒸发效率图；c)本发明的较佳实施例的复合薄膜材料在1-3倍太阳光光强下蒸发效率稳定性；d)本发明的较佳实施例的复合薄膜材料在3倍太阳光下水蒸气效果图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例1
选择如图1a)所示的直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维以及如图1b)所示的片状二维石墨烯为起始原料，按照石墨烯/纤维素质量比例为90:10配制混合溶液，然后将配好的溶液放入超声清洗器中超声分散2小时，取出后再以力搅拌器搅拌10分钟，此过程重复五次得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液。所得分散液利用抽滤方式，以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底抽滤成膜，在室温下晾干得到复合薄膜材料并命名为CNF@RGO-90。
实施例2
选择如图1a)所示的直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维以及如图1b)所示的片状二维石墨烯为起始原料，按照石墨烯/纤维素质量比例为80:20配制混合溶液，然后将配好的溶液放入超声清洗器中超声分散2小时，取出后再以力搅拌器搅拌10分钟，此过程重复五次得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液。所得分散液利用抽滤方式，以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底抽滤成膜，在室温下晾干得到复合薄膜材料并命名为CNF@RGO-80。
实施例3
选择如图1a)所示的直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维以及如图1b)所示的片状二维石墨烯为起始原料，按照石墨烯/纤维素质量比例为70:30配制混合溶液，然后将配好的溶液放入超声清洗器中超声分散2小时，取出后再以力搅拌器搅拌10分钟，此过程重复五次得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液。所得分散液利用抽滤方式，以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底抽滤成膜，在室温下晾干得到复合薄膜材料并命名为CNF@RGO-70。
实施例4
选择如图1a)所示的直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维以及如图1b)所示的片状二维石墨烯为起始原料，按照石墨烯/纤维素质量比例为60:40配制混合溶液，然后将配好的溶液放入超声清洗器中超声分散2小时，取出后再以力搅拌器搅拌10分钟，此过程重复五次得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液。所得分散液利用抽滤方式，以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底抽滤成膜，在室温下晾干得到复合薄膜材料并命名为CNF@RGO-60。
实施例5
选择如图1a)所示的直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维以及如图1b)所示的片状二维石墨烯为起始原料，按照石墨烯/纤维素质量比例为50:50配制混合溶液，然后将配好的溶液放入超声清洗器中超声分散2小时，取出后再以力搅拌器搅拌10分钟，此过程重复五次得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液。所得分散液利用抽滤方式，以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底抽滤成膜，在室温下晾干得到复合薄膜材料并命名为CNF@RGO-50。
如图2，纤维素纳米纤维通过范德华力相互作用将不同石墨烯片层连接在一起构成范德华异质结构，纳米片层间的纤维素支撑作用能够形成丰富的纳米孔道便于水分子的快速传递和热交换。如图3，复合薄膜材料的SEM结果显示，这种基于范德华异质结构复合材料具有致密、规整层状结构。
如图4光吸收率谱图结果所示，CNF@RGO-90，80，70,60均在近红外光谱区(900-2500nm)表现出良好吸收效率，这一特性为后续作为光热材料应用提供可能。
如图5热导率图结果所示，CNF@RGO-90，80，70,60随材料中石墨烯含量的上升，在90w％时达到峰值1238W m-1K-1。
如图6，将复合薄膜材料制作成简易太阳能水蒸发器，其中复合薄膜材料贴附于无尘吸水纸基底上，无尘吸水纸作为辐照面基底起到支撑以及隔热作用，以防止在固定光强蒸发水实验中，太阳光直接照射水面对测试结果照成影响。无尘吸水纸利用虹吸原理引流与复合薄膜材料接触并在石墨烯层间完成水分蒸发。如图7所示，太阳能谁蒸发器在1倍太阳光照射10分钟后，光热转化仅在倍覆盖有复合薄膜材料覆盖的区域发生，器件下方并未有发热现象，说明热量没有向下传递，这充分说明该器件在结构光照条件下没有发生明显热量散失，保证了测试结果准确性。
如图8a)所示不同石墨烯比例复合薄膜材料CNF@RGO-90，80，70，60均在一倍太阳光下有很好蒸发速率，其中CNF@RGO-90蒸发速率在1倍太阳光下可以达到1.47kg m-2h-1；图8b)显示当光强达到标准太阳光强(3倍太阳光/3KW m-2)蒸发速率明显提升，其中CNF@RGO-90提升至4.51kg m-2h-1；如图8c)所示，CNF@RGO-90分别在1，2，3倍太阳光条件下，重复进行5次循环试验，蒸发速率无明显波动，说明在的循环1-3倍太阳光条件下，蒸发速率稳定几乎无衰减现象；如图8d)，可以肉眼观察到在1倍太阳光光强下水蒸气从复合薄膜材料(CNF@RGO-90)覆盖区域挥发的现象，进一步佐证该复合薄膜材料优异的蒸发性能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种高导热及传输水的复合薄膜材料在太阳能蒸发器中的应用，其特征在于，所述复合薄膜材料包含石墨烯和纤维素纳米纤维，所述复合薄膜材料具有纳米孔道；
所述复合薄膜材料的制备方法包括以下步骤：
步骤1、将所述石墨烯和所述纤维素纳米纤维配置成混合溶液，所述混合溶液中的所述石墨烯的质量百分比为60-90%，所述混合溶液中的所述纤维素纳米纤维为直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维；
步骤2、将所述混合溶液在超声清洗器中超声分散，接着用磁力搅拌器搅拌，重复所述超声分散和所述搅拌过程，所述纤维素纳米纤维通过范德华力相互作用将所述石墨烯连接在一起构成范德华异质结构，最后得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液，所述超声分散时间为2小时，所述搅拌时间为10分钟，所述重复次数为5次；
步骤3、将所述石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液抽滤成膜，晾干得到所述复合薄膜材料，所述抽滤以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底，所述晾干温度为室温；
将所述复合薄膜材料应用于太阳能蒸发器中。
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