CN115926756A - 一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超疏水‑超亲水Janus泡沫铜蒸发器及其制备方法和应用，(1)预喷涂溶液：将PDMS、纳米气相二氧化硅与纳米碳材料按比例混合，加入有机溶剂稀释，搅拌均匀后得到预喷涂溶液；(2)在所述预喷涂溶液中加入粘合剂混合均匀后得到喷涂溶液；(3)将所述喷涂溶液喷涂至洁净的泡沫铜的一个表面，喷涂之前需要采取措施防止喷涂过程中所述喷涂溶液透过所述泡沫铜的孔隙渗入到另一表面，待喷涂表面干燥后可选择性地多次重复喷涂所述喷涂溶液，热固化后得到超疏水‑超亲水Janus泡沫铜蒸发器；具有优异的吸光吸热特性和稳定的漂浮性；具有较好的蒸发性能以及拒盐能力，蒸发孔道不会被沉积盐结晶堵塞，可在海水淡化中长期使用。

Description

一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及界面处理技术领域，具体涉及一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器及其制备方法和应用。

背景技术

现有的海水淡化技术存在热效率低、能耗高、运行成本高、温室气体排放等诸多缺点，限制了其应用。太阳能蒸发技术被认为是最有前途的生产淡水的技术之一。然而，传统太阳能海水淡化技术的建设和维护成本高、淡水产量低、对入射光的依赖程度高。因此，近年来出现了许多新型的太阳能蒸发器。传统的直接法太阳能海水淡化侧重于对整个水体的加热，而不是对水体表面界面的加热，效率较低。最近随着研究者们对太阳能蒸发的进一步研究，根据蒸发是在液体表面进行的现象，提出了直接对空气-液体界面进行加热的界面热蒸发技术。

Janus界面光热蒸发材料的灵感来自于自然界中的荷叶，其底部超亲水和表层超疏水的双重润湿性为其提供了在水中的稳定性和自漂浮的能力，这样的特性能够满足界面热蒸发的需求。界面热蒸发技术最重要的特性之一是其润湿性，表面的超疏水性能和底部的超亲水能力决定了其对水运输、光吸收、装置漂浮性、稳定性。Janus界面热蒸发技术的原理是由光热材料吸收太阳光转化为内能，由于热传导效应，能量传递到温度较低的空气-水界面，水吸热蒸发，气化后产生水蒸气从材料的孔隙中逸出，由于材料疏水层水亲和力低，因此水蒸气的扩散与逃逸的速度更快。蒸发过程发生在液体表面，而疏水层可以使整个蒸发体漂浮在水面上，减少因为热辐射等产生的热损失，Janus材料作为界面热蒸发体是一种合理的选择。

目前Janus材料应用于太阳能蒸发的技术未能推广的一个主要原因是因为疏水光热材料的价格较为昂贵，制备工艺复杂，蒸发效率不高，蒸发过程的盐沉积问题。随着海水淡化过程的进行，在蒸发材料的表面会聚集析出的盐晶体，阻挡蒸汽上升的出口，随着盐晶体大量沉积，还会影响光热材料表面的太阳能吸收率。因此，开发具有高蒸发率，机械稳定性强且具有盐结晶自清洁能力的太阳能界面蒸发材料对于实现可持续的高效水蒸发和海水淡化技术的突破具有非凡的意义。

发明内容

为了解决现有应用于海水淡化蒸发器的界面材料蒸发率低、机械稳定性差、不具有盐结晶自清洁功能的技术问题，而提供一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器及其制备方法和应用。本发明的蒸发器具有超疏水-超亲水Janus界面，水蒸发速率高且具有较好的拒盐能力，可应用海水淡化蒸发领域。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，包括如下步骤：

(1)预喷涂溶液：将PDMS、纳米气相二氧化硅与纳米碳材料按比例混合，加入有机溶剂稀释，搅拌均匀后得到预喷涂溶液；

(2)在所述预喷涂溶液中加入粘合剂混合均匀后得到喷涂溶液；

(3)将所述喷涂溶液喷涂至洁净的泡沫铜的一个表面，喷涂之前需要采取措施防止喷涂过程中所述喷涂溶液透过所述泡沫铜的孔隙渗入到另一表面，待喷涂表面干燥后可选择性地多次重复喷涂所述喷涂溶液，热固化后得到超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器。

进一步地，所述PDMS为PDMS预聚物与PDMS固化剂按质量比10:1配置的混合物；所述纳米碳材料为纳米炭黑、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管中任意一种或多种；所述有机溶剂为己烷。

进一步地，所述PDMS、所述纳米气相二氧化硅、所述纳米碳材料的质量比为10:1:5。

进一步地，所述纳米气相二氧化硅的粒径为20-50nm，所述纳米碳材料的粒径为200-500nm；所述泡沫铜的孔径为30-50μm。

进一步地，所述预喷涂溶液的质量浓度为0.05-0.18g/mL。

进一步地，所述措施是将所述泡沫铜挤压至软质纤维中是其只有一个表面暴露在外，或者所述措施是将无需喷涂的泡沫铜表面粘贴胶带封孔。

进一步地，所述粘合剂是含有催化剂的正硅酸乙酯，所述催化剂与所述正硅酸乙酯的体积比为1:1；所述催化剂是二月桂酸二丁基锡。

进一步地，所述预喷涂溶液与所述粘合剂的体积比为(45-150):1。

进一步地，所述热固化的温度为80-120℃、固化时间为2-6h。

本发明另一方面提供由上述制备方法制得的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器。

本发明最后一方面提供由上述制备方法制得的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器在海水淡化蒸发中的应用。

有益技术效果：

本发明将炭黑和二氧化硅先后加入到聚甲基硅氧烷PDMS溶液中，均匀搅拌后超声震荡即可将其喷涂在泡沫铜表面放入烘箱中热固化即可制得超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器。本发明制备的Janus泡沫铜蒸发器，制备方法过程简单，易实现，成本低，克服了实验室工艺复杂的问题，可应用海水淡化蒸发领域。

本发明的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器具有优异的吸光吸热特性，优异的漂浮性能，可稳定的漂浮于水面。超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器具有优异的太阳蒸发性能，一个太阳光下，蒸发速率达到了1.04kg·m^-2，蒸发效率达到83.2％。稳定性好，具有耐低高温变化和抗紫外辐射能力。具有优越的拒盐能力，蒸发孔道不会被沉积盐结晶堵塞，可在海水淡化中长期使用。

附图说明

图1的a为实施例1的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的漂浮效果图；

图1的b为实施例1的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器喷涂表面的水接触角图；

图1的c为实施例1的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器未喷涂表面的水接触角图；

图1的d为实施例1的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器水蒸发过程示意图。

图2为实施例1的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器喷涂前后扫描电镜图。

图3为实施例1的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器循环耐高低温性能和循环抗紫外辐射能力图。

图4为实施例1的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器在不同光强度下的蒸发速率图。

图5为实施例1超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器在蒸发过程中的自清洁去盐能力图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

以下实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定；若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、或相关企业提出的标准要求进行。除非另有说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比。

以下所用PDMS为PDMS预聚物与PDMS固化剂按质量比10:1配置的混合物，如道康宁的SYLGARD 184SILICONE ELASTOMER灌封胶。

实施例1

一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，包括如下步骤：

试样预处理：选取5cm×5cm的泡沫铜作为基材，泡沫铜的孔径约为30-50μm，分别使用丙酮、酒精、去离子水在超声波条件下清洗30min，烘干后备用；

(1)预喷涂溶液：将1.0gPDMS、0.1g纳米气相二氧化硅(20-50nm)与0.5g纳米炭黑(200-500nm)混合，加入30mL己烷稀释，搅拌30min，得到均匀的黑色预喷涂溶液；

(2)在上述预喷涂溶液中加入0.1mL正硅酸乙酯和0.1mL二月桂酸二丁基锡，搅拌均匀后超声震荡30min后得到喷涂溶液；

(3)为了防止喷涂过程中所述喷涂溶液透过泡沫铜的孔隙渗入到另一表面，在喷涂之前需要将泡沫铜挤压在软质纤维(例如海绵、棉花)中，使其只有一个表面暴露在空气中，将上述喷涂溶液喷涂至泡沫铜该暴露的表面，置于烘箱中在80℃下进行热固化6h，得到超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器。

实施例2

一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，包括如下步骤：

试样预处理：选取5cm×5cm的泡沫铜作为基材，泡沫铜的孔径约为30-50μm，分别使用丙酮、酒精、去离子水在超声波条件下清洗30min，烘干后备用；

(1)预喷涂溶液：将5.0gPDMS、0.5g纳米气相二氧化硅(20-50nm)与2.5g纳米炭黑(200-500nm)混合，加入60mL己烷稀释，搅拌30min，得到均匀的黑色预喷涂溶液；

(2)在上述预喷涂溶液中加入0.5mL正硅酸乙酯和0.5mL二月桂酸二丁基锡，搅拌均匀后超声震荡30min后得到喷涂溶液；

(3)为了防止喷涂过程中所述喷涂溶液透过泡沫铜的孔隙渗入到另一表面，在喷涂之前需要将泡沫铜挤压在软质纤维(例如海绵、棉花)中，使其只有一个表面暴露在空气中，将上述喷涂溶液喷涂至泡沫铜该暴露的表面，待喷涂表面干燥后重复喷涂所述喷涂溶液两次，然后置于烘箱中在100℃下进行热固化4h，得到超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器。

实施例3

一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，包括如下步骤：

试样预处理：选取5cm×5cm的泡沫铜作为基材，泡沫铜的孔径约为30-50μm，分别使用丙酮、酒精、去离子水在超声波条件下清洗30min，烘干后备用；

(1)预喷涂溶液：将10.0gPDMS、1.0g纳米气相二氧化硅(20-50nm)与5.0g纳米炭黑(200-500nm)混合，加入90mL己烷稀释，搅拌30min，得到均匀的黑色预喷涂溶液；

(2)在上述预喷涂溶液中加入0.5mL正硅酸乙酯和0.5mL二月桂酸二丁基锡，搅拌均匀后超声震荡30min后得到喷涂溶液；

(3)为了防止喷涂过程中所述喷涂溶液透过泡沫铜的孔隙渗入到另一表面，在喷涂之前将泡沫铜的一个表面黏贴胶带封孔，将上述喷涂溶液喷涂至泡沫铜未黏贴胶带的表面，待喷涂表面干燥后重复喷涂所述喷涂溶液三次，然后置于烘箱中在120℃下进行热固化2h，得到超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器。

对比例1

本对比例的Janus泡沫铜蒸发器的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，步骤1的预喷涂溶液中只有PDMS。

对比例2

本对比例的Janus泡沫铜蒸发器的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，步骤1的预喷涂溶液中只有PDMS和纳米气相二氧化硅。

对比例3

本对比例的Janus泡沫铜蒸发器的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，步骤1的预喷涂溶液中只有PDMS和纳米炭黑。

对比例4

本对比例的Janus泡沫铜蒸发器的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，不存在步骤2，直接将预喷涂溶液对泡沫铜进行喷涂。

实施例4

对以上实施例及对比例的产品进行喷涂表面的水接触角测试，结果见下表1。

表1实施例及对比例的Janus泡沫铜蒸发器的水接触角

由表1可知，对比例1只具有PDMS的表面、对比例2具有PDMS+纳米气相二氧化硅的表面、对比例3具有PDMS+炭黑的表面，均具有一定疏水性，纳米气相二氧化硅与纳米炭黑的作用基本等同；而本发明通过在泡沫铜上表面喷涂PDMS包裹的炭黑和纳米气相二氧化硅混合溶液，制备得到的Janus泡沫铜蒸发器的喷涂表面具有超疏水性，水接触角均大于160°，未喷涂表面具有超亲水性，水接触角接近0°。

具有仿荷叶的漂浮能力，实施例1的Janus泡沫铜蒸发器的喷涂表面所具有的极好超疏水性的拒水能力为其提供了稳定的漂浮能力，漂浮效果见图1。图1的a中漂浮的Janus泡沫铜蒸发器是将其未喷涂的下表面与水接触后所得漂浮效果；沉入水中的为未经处理的泡沫铜。图1的b为喷涂表面的水接触角图，图1的c为未喷涂表面的水接触角图，图1的d为蒸发器水蒸发过程示意图。

实施例1的Janus泡沫铜蒸发器喷涂前后扫描电镜图如图2所示。从图2中可以看出，泡沫铜原材料中的三维孔道结构表面较为光滑平整(如图2中a1～a3，a1～a3放大比例逐渐增加，标尺长度分别为200μm、100μm、20μm)，结构因毛细现象而具有亲水性；而在其表面喷涂并固化后，三维孔道结构表面出现了大量微纳米球状凸起(如图2中b1～b3，b1～b3放大比例逐渐增加，标尺长度分别为200μm、100μm、20μm)，该凸起为炭黑和二氧化硅聚集在一起所形成的微颗粒，这些类荷叶表面的乳突结构提供了形成超疏水必要的微纳粗糙结构，而将这些颗粒附着在泡沫铜纤维上的PDMS则同时还提供了较低的表面能。因此在喷涂面形成超疏水表面，而未喷涂的表面为原始的铜网表面，为超亲水面。

对实施例1的Janus泡沫铜蒸发器进行循环耐高低温测试和循环抗紫外辐射能力测试，温度变化的每一个循环由-40℃到100℃，抗紫外辐射的每一个循环为100h，测试结果见图3。由图3可知，经过10个-40℃～100℃高低温循环变化及10个100h的紫外辐照循环后，Janus泡沫铜蒸发器的喷涂表面仍然为超疏水表面，水接触角仍大于150°，具有较好的稳定性。

其他实施例的Janus泡沫铜蒸发器的喷涂表面具有同样的稳定性效果。各个实施例及对比例的稳定性见表2。

表2实施例及对比例产品喷涂表面10个循环耐高低温以及耐紫外辐射的水接触角

由表2可知，虽然对比例4的表面初始水接触角具有较好的超疏水性，然是其在制备过程中未加入正硅酸乙酯，由初始的超疏水表面下降为不到120°的疏水表面，可见其在10个循环耐高低温以及耐紫外辐射的水接触角下降幅度较大，对比例4的稳定性较差，这是由于涂层在泡沫铜表面的粘附效果较差导致。

对实施例1的Janus泡沫铜蒸发器进行蒸发速率测试，结果见图4。在室温为25℃、相对湿度为40％的条件下测量了不同功率的模拟太阳光直射时Janus泡沫铜的水蒸发速率，光照强度为1W、3W和5W时的Janus泡沫铜蒸发速率分别为1.04kgm^-2、2.85kgm^-2和5.49kgm^-2。具有较快的蒸发速率。以上实施例及对比例产品的蒸发速率见表3。

表3实施例及对比例产品的蒸发速率

由表3可知，虽然对比例4的表面初始具有较好的超疏水性，但是其稳定性较差，因此在光照强度1W时水蒸发速率以及蒸发效率均较实施例1的差。对比例1和2由于不存在炭黑，因此这两者表面对水的蒸发作用较小，而对比例3虽然具有炭黑，但是与实施例1相比，由于不存在纳米气相二氧化硅，因此蒸发效果不佳。本发明中PDMS、炭黑与纳米气相二氧化硅之间具有相互协同作用，结合正硅酸乙酯的粘附效果，使得本发明Janus泡沫铜蒸发器对水具有较好的蒸发效果。

将Janus泡沫铜蒸发器放置在3.5wt％浓度的氯化钠溶液中，以此来模拟海水蒸发淡化。Janus泡沫铜蒸发器在盐水中的蒸发速率几乎等于在纯水中的蒸发速率。在实际应用中，太阳能海水淡化蒸发器的拒盐能力非常重要。Janus泡沫铜蒸发器的导热率高且孔隙大，更有利于梯度自清洁。为了验证本发明实施例1的Janus泡沫铜蒸发器在蒸发过程中的自清洁去盐能力，将3g盐晶体负载在Janus泡沫铜蒸发器表面，结果如图5所示，由图5可见，负载的盐晶体呈现半溶解状态，由于Janus泡沫铜蒸发器从上到下呈现毛细管状，构成垂直排列的微通道，这给溶液流动提供了足够的水通量，盐晶体与水分结合，出现了溶解趋势。表面的盐浓度一直要高于底层盐溶液的浓度，因此在盐晶体溶解后，毛细管允许盐离子通过扩散和平流转移到下层盐溶液中。在1个太阳光下稳定蒸发3h后，Janus泡沫铜蒸发器的表面盐晶体几乎完全溶解消失，这种自清洁去盐特性表明了Janus泡沫铜蒸发器具有在海水淡化中长期使用的优点。其他实施例具有同样的拒盐能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)预喷涂溶液：将PDMS、纳米气相二氧化硅与纳米碳材料按比例混合，加入有机溶剂稀释，搅拌均匀后得到预喷涂溶液；

(2)在所述预喷涂溶液中加入粘合剂混合均匀后得到喷涂溶液；

(3)将所述喷涂溶液喷涂至洁净的泡沫铜的一个表面，喷涂之前需要采取措施防止喷涂过程中所述喷涂溶液透过所述泡沫铜的孔隙渗入到另一表面，待喷涂表面干燥后可选择性地多次重复喷涂所述喷涂溶液，热固化后得到超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器。

2.根据权利要求1所述的一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，其特征在于，所述PDMS为PDMS预聚物与PDMS固化剂按质量比10:1配置的混合物；所述纳米碳材料为纳米炭黑、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管中任意一种或多种；所述有机溶剂为己烷。

3.根据权利要求1所述的一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，其特征在于，所述PDMS、所述纳米气相二氧化硅、所述纳米碳材料的质量比为10:1:5。

4.根据权利要求1所述的一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，其特征在于，所述纳米气相二氧化硅的粒径为20-50nm，所述纳米碳材料的粒径为200-500nm；所述泡沫铜的孔径为30-50μm。

5.根据权利要求1所述的一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，其特征在于，所述预喷涂溶液的质量浓度为0.05-0.18g/mL；所述预喷涂溶液与所述粘合剂的体积比为(45-150):1。

6.根据权利要求1所述的一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，其特征在于，所述措施是将所述泡沫铜挤压至软质纤维中是其只有一个表面暴露在外，或者所述措施是将无需喷涂的泡沫铜表面粘贴胶带封孔。

7.根据权利要求1所述的一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，其特征在于，所述粘合剂是含有催化剂的正硅酸乙酯，所述催化剂与所述正硅酸乙酯的体积比为1:1；所述催化剂是二月桂酸二丁基锡。

8.根据权利要求1所述的一种超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器的制备方法，其特征在于，所述热固化的温度为80-120℃、固化时间为2-6h。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器。

10.一种根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的超疏水-超亲水Janus泡沫铜蒸发器在海水淡化蒸发中的应用。

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