聚合物基光热织物的制备与界面光热蒸汽转换性能研究

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人口的迅速增长以及生活和工业废水的大量排放,使淡水资源短缺成为亟待解决的全球性问题。界面光热-蒸汽转换技术因具有简便高效、低成本、绿色无污染等特点,是目前解决该问题的有效途径之一。常规的界面光热水蒸发系统主要由光热材料和基材构成。其中,聚多巴胺、聚吡咯等聚合物具有易与基材结合、光吸收性能好、可生物降解等优点,被视为较有潜力的吸光材料;而纤维类织物基材由于孔隙率高、比表面积大、柔软便携、组织结构多变,可循环使用,有利于蒸发时的蒸汽逸散和水传输。因此,结合两者的优势,可很好的解决传统蒸发器制备方法繁琐、尺寸有限、可洗性差等缺点。本论文以混纺织物为基底,通过对聚合物材料进行微观形貌调控,以及对整个蒸发器件进行宏-微观结构设计,制备了性能优异、柔韧可扩展的织物基蒸发器。具体研究如下:首先,以可清洗和耐腐蚀的高弹涤纶/氨纶混纺织物为基底,采用多巴胺原位聚合的方法在织物纤维表面生长聚多巴胺纳米球(PDANSs),并通过调控纳米球的尺寸,制备了多尺寸聚多巴胺纳米球基二维光热织物(PDANSs@fabric)。通过PDANSs@fabric的形貌、粒径、化学组成等表征,以及其透气、亲水、光热、水蒸发及耐用性能的测试,研究了PDANSs的尺寸对光热织物性能的影响,并探究了该织物基蒸发器处理废水和海水的能力。结果表明,随PDANSs尺寸增加,光热织物的光热效应先增强后减弱,在一个太阳光照下,球径为650 nm的PDANSs@fabric的水蒸发速率为1.48 kg m-2 h-1。其次,为了进一步提高材料在红外区域的光吸收能力,在上述相同织物基底上,通过控制甲基橙模板的浓度,制备了在全光谱范围都具有高效光吸收的聚吡咯纳米线阵列基光热织物(VPPy NWs-fabric)。表征了VPPy NWs-fabric的微观形貌和化学成分,并探究了其透气、亲水、光热、水蒸发及稳定性能。结果表明,聚吡咯纳米线阵列结构能提高材料的光吸收,在300-2500 nm范围内对光的吸收率为97%,在一个太阳光照下,聚吡咯阵列基2D光热织物的水蒸发速率高达1.70 kg m-2 h-1。最后,利用织物可编辑特性,将上述制备的二维聚吡咯阵列基光热织物进行裁剪,缝制成不同高径比的3D锥形(仿生)光热蒸发器。研究了蒸发器的高径比对其光热和水蒸发性能的影响,并考察了最优参数下蒸发器的稳定性以及其废水处理和海水淡化的能力,另外分析了蒸汽转换效率提高的机理。结果表明,蒸发器的最优高径比为3,一个太阳光照下,聚吡咯基3D光热织物的水蒸发速率高至2.32 kg m-2 h-1,其蒸发机理是3D蒸发器可以从周围的空气、水和回收的潜热中捕获额外的能量从而促进水分蒸发。
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