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CN115198519B - 高效光热转化亲/疏水纤维毡及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高效光热转化亲/疏水纤维毡及其制备方法。制备方法包括如下步骤：对碳基材料纤维毡进行表面活化处理；利用静电纺丝技术在表面活化的碳基材料纤维毡上接收超细聚乙烯醇纤维层；对超细聚乙烯醇纤维层进行缩醛化处理，得到高效光热转化亲/疏水纤维毡。本发明制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡，水蒸发速率优异，上层的疏水性碳基材料纤维层，能提高光热转化效率，下层为亲水性超细聚乙烯醇缩醛纤维，能高效抽水，将亲水层聚集的盐快速溶解；具有高效、稳定和便携的优点，避免了海水淡化过程中随着水的蒸发，盐分沉积，堵塞水蒸气的逃逸通道，导致蒸发速率减小的弊端，同时避免了光热转化材料性能不稳定、膜污染等问题的发生。

Description

高效光热转化亲/疏水纤维毡及其制备方法
技术领域
本发明涉及海水淡化技术领域，尤其涉及一种高效光热转化亲/疏水纤维毡及其制备方法。
背景技术
虽然地球表面约71％的面积被水覆盖，但淡水资源仅占所有水资源的2.5％，其中可供人类使用的淡水资源仅占淡水资源总量的1％。淡水资源危机已成为人类面临的一大世纪挑战，如何将海水转化为可供人类使用的淡水成为研究热点。
脱盐技术已逐渐成为水处理领域获取净水的重要手段之一。传统能源驱动的脱盐技术如热法驱动和膜法驱动的脱盐处理过程中存在着对化石能源的高消耗并且对环境产生污染等缺点。与传统能源相比，太阳能作为一种绿色可持续发展的资源，可以为脱盐技术提供新型的能量来源。在太阳能蒸发脱盐系统中，利用光热转换材料可以将其吸收的太阳光有效地转化为热能，从而使水蒸发以达到净化水的目的。
太阳能蒸发脱盐技术分为三种类型：底部加热型、体积加热型和界面加热型。底部加热型太阳能蒸发系统是最原始的蒸馏脱盐方法，从系统底部到蒸发表面盐水温度逐渐降低，会产生不必要的热损失进而导致该种类型的蒸发系统的蒸发效率普遍较低，约为30-45％。为了减少系统的热损失，基于纳米流体的体积加热型太阳能蒸发系统可以将太阳光产生的热移动到流体内部，体积加热策略对系统的蒸发效能只能有一定程度的提升；同时，在长期太阳辐照下，纳米流体强烈的色散效应也不利于太阳能蒸发脱盐。而界面加热型是利用太阳能加热界面光热材料，界面光热材料将热量传递给界面盐水，从而使界面水分子快速蒸发得到净水的过程，界面加热蒸发脱盐在无光集中的条件下，效率一般都在80％以上，蒸发效率明显过于另外两种类型。
目前，用于太阳能蒸发的光热膜材料主要以亲水性材料为主，而亲水性光热膜大都面临着盐沉积的严峻问题(盐沉积主要是因为在太阳能驱动的脱盐过程中，盐离子在2D膜中的向上传输和表面沉积的速率大于盐离子向本体溶液中的释放速率)。为了解决盐沉积的问题，人们开始研究疏水/亲水结构的光热转化材料。申请号为CN201911146604.6的中国专利公开了一种光热水蒸发纳米纤维针织集合体的制备方法，首先利用静电纺丝制备纳米纤维空心纱；再利用针织机将所得纳米纤维空心纱制备成纳米纤维基针织物；最后利用蒸镀装置在所得纳米纤维基织物上镀光热转化层。该方法的不足之处在于：(1)通过蒸镀方式将光热转化沉积在织物上，织物与光热转化层的结合力较弱，是光热转化层容易脱落；(2)沉积在织物表面的光热转化层致密，孔隙较小，在界面处蒸发的水不容易逃逸，减弱了蒸发效率；(3)光热转化层为金属镀层，金属价格昂贵，同时容易造成水的二次污染。
碳基材料由于具有较高的光吸收率、低成本和高稳定性而被用来作为太阳能蒸发的光吸收剂。维纶(聚乙烯醇缩醛纤维的商品名称，也叫维尼纶)性质与棉花相似，强度和耐磨性优于棉花；它有良好的耐用性、吸湿性、保暖性、耐磨蚀和耐日光性，有“合成棉花”之称，是现有合成纤维中吸湿性最大的品种。另外，维纶在一般有机酸、醇、酯及石油等溶剂中不溶解，不易霉蛀，在日光下暴晒强度损失不大。因此，如何利用碳基材料和维纶制备高效的界面蒸发材料是亟待解决的问题。
有鉴于此，有必要设计一种改进的高效光热转化亲/疏水纤维毡及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效光热转化亲/疏水纤维毡及其制备方法，先将所述碳基材料纤维毡浸入有机溶剂中，溶解碳基材料纤维毡表面的胶层及其附着物后，将疏水性碳基材料纤维毡进行电晕处理，增加表面粗糙度和比表面积以及活性基团的数量，再将其作为静电纺丝接收装置，在其表面接收亲水性聚乙烯醇纤维层，聚乙烯醇通过化学键键合在其表面，同时超细纤维的比表面积大，不同根超细纤维之间发生交缠使聚乙烯醇纤维层的孔隙均匀，最后将聚乙烯醇纤维层进行缩醛化处理，生成在耐用性、吸湿性、保暖性、耐磨蚀和耐日光性方面性能更优的亲水性聚乙烯醇缩醛纤维，最终得到高效光热转化亲/疏水纤维毡，蒸发率较高的同时避免了盐沉积。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，包括如下步骤：
S1.对碳基材料纤维毡进行表面活化处理；
S2.利用静电纺丝技术在表面活化的所述碳基材料纤维毡上接收超细聚乙烯醇纤维层；
S3.对所述超细聚乙烯醇纤维层进行缩醛化处理，得到高效光热转化亲/疏水纤维毡。
作为本发明的进一步改进，所述高效光热转化亲/疏水纤维毡中，所述碳基材料纤维毡的厚度为1-20mm，孔径为1-20μm；所述超细聚乙烯醇纤维层的厚度为30-2000μm，孔径为0.1-10μm，纤维直径为160-200nm所述超细聚乙烯醇纤维层的缩醛度为16-65％。
作为本发明的进一步改进，所述碳基材料纤维毡包括碳纤维毡、石墨毡、硬质碳毡、硬质石墨毡中的一种，所述活化处理包括电晕处理、等离子体处理中的一种。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述静电纺丝具体为：先配置质量浓度为5％-30％的聚乙烯醇纺丝液，再将所述聚乙烯醇纺丝液加入静电纺丝机中进行静电纺丝。
作为本发明的进一步改进，所述静电纺丝的电压为10-40kV，接收距离为10-25cm，注射器的推进速率为0.1-1mL/h，环境温度为20-40℃，湿度为45％-65％。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述缩醛化处理具体为：将所述超细聚乙烯醇纤维层浸入含有强酸催化剂的醛溶液中，在60-90℃下反应20-30min；其中，所述强酸催化剂包括浓硫酸、盐酸、硝酸中的一种或两种；所述醛溶液为甲醛溶液、乙醛溶液、丁醛溶液、戊二醛溶液中的一种或两种；所述醛含量与所述超细聚乙烯醇纤维的质量比为(1-3):(3-8)。
作为本发明的进一步改进，所述电晕处理的辐照温度为10-50℃，电压为10-30kV，处理时间为1-20min，电晕装置的电极与所述碳基材料纤维毡的距离为0.1-5mm。
作为本发明的进一步改进，所述清洗具体为：将所述碳基材料纤维毡浸入有机溶剂中，溶解碳基材料纤维毡表面的胶层及其附着物，再将所述碳基材料纤维毡放入超声清洗器中清洗后用压缩氮气吹干；其中，所述有机溶剂包括酒精、丙酮、氯仿、异丙醇中的一种或两种。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种高效光热转化亲/疏水纤维毡，采用上述任一项所述的高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，先对碳基材料纤维毡进行清洗后将疏水性碳基材料纤维毡进行电晕处理，再将其作为静电纺丝接收装置，在其表面接收亲水性聚乙烯醇纤维层，最后将聚乙烯醇纤维层进行缩醛化处理，生成亲水性聚乙烯醇缩醛纤维，最终得到高效光热转化亲/疏水纤维毡。
首先，对碳基材料纤维毡进行电晕处理，使碳基材料纤维毡的表面粗糙度增大，比表面积增加，不仅为后续聚乙烯醇纤维提供更多的附着位点，而且能提高二者的结合强度；另外，电晕过程产生的低温离子体会破坏碳基材料纤维毡的表面分子结构，使其表面产生游离基反应而使分子间发生交联，进一步提高材料表面的粗糙度，同时材料表面会裸露更多的活性基团，材料表面的活性基团可以和聚乙烯醇分子通过化学键键合；电晕放电时还会产生大量的臭氧，臭氧作为一种强氧化剂，能使碳分子氧化而产生羰基与过氧化物等极性较强的基团，从而提高碳基材料纤维毡的表面能，使其使其具有更高的附着性，更容易与聚乙烯醇纤维键合。两者的紧密结合同时更加有利于不同材料间的水分传输。
其次，利用静电纺丝技术将聚乙烯醇纺丝成超细聚乙烯醇纤维，直接将活化的碳基材料纤维毡作为接收装置，聚乙烯醇纤维在电场作用下，通过高速运动附着在碳基材料纤维毡表面，聚乙烯醇分子和碳基材料纤维分子通过化学键键合，同时超细聚乙烯醇纤维之间发生不同程度的交缠，使聚乙烯醇纤维层形成均匀的孔隙，生成特殊结构的聚乙烯醇/碳基材料复合纤维毡。另外，静电纺丝得到的超细聚乙烯醇纤维具有较细的纤维直径、较大的比表面积和丰富的孔隙结构，不仅能有效提高导湿效率，水更容易被抽至疏水性碳基材料纤维毡和亲水性聚乙烯醇缩醛纤维层的交界处；同时为水蒸气的逃逸提供更多的通道，提高水的蒸发速率。
最后，将超细聚乙烯醇纤维进行缩醛化处理生成超细聚乙烯醇缩醛纤维，聚乙烯醇缩醛纤维在一般有机酸、醇、酯及石油等溶剂中不溶解，不易霉蛀，在日光下暴晒强度损失不大，具有优异的吸湿性以及耐日晒、耐磨性(聚乙烯醇纤维长时间使用会有所溶解，且耐热水性较差)，以提高高效光热转化亲/疏水纤维毡的使用耐久性；同时，聚乙烯醇发生反应的过程中，纤维之间的交联结构有所变化，生成结构更佳的特殊孔隙结构的高效光热转化亲/疏水纤维毡。当太阳光照射时，碳基材料吸收太阳能并将其转化为热能，对碳基材料纤维毡和超细聚乙烯醇缩醛纤维层交界处以上的水进行加热，产生的水蒸气从碳基材料纤维毡和超细聚乙烯醇缩醛纤维层的丰富的孔隙中逃逸，水蒸发速率优异，比底部加热型的效率高一倍。
(2)本发明制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡，上层为具有较高光吸收率的疏水性碳基材料纤维层，利用界面蒸发原理，能提高光热转化效率；下层为亲水性超细聚乙烯醇缩醛纤维，能高效抽水；水蒸发过程中盐只能聚集在亲水纤维层中，由于亲水层高效的抽水效率，水不断向亲水层聚集，聚集的盐很快就会溶解，不会堵塞亲水纤维层的输水通道。这种灵活的高效光热转化亲/疏水纤维毡为海水淡化提供了高效、稳定和便携的太阳能蒸汽发生器，避免了海水淡化过程中随着水的蒸发，盐分沉积，堵塞水蒸气的逃逸通道，导致蒸发速率减小的弊端，同时避免了光热转化材料性能不稳定、膜污染等问题的发生。
附图说明
图1为本发明高效光热转化亲/疏水纤维毡的结构示意图。
图2为聚乙烯醇与甲醛发生缩醛化反应的原理图。
附图标记
1-碳纤维毡；2-电晕处理产生的粗糙界面；3-缩醛化的超细聚乙烯醇纤维层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，包括如下步骤：
S1.表面活化：
先将疏水性碳基材料纤维毡浸入有机溶剂中浸泡20-40min，使碳基材料纤维毡表面的胶层及其附着物溶解；再将碳基材料纤维毡放入超声清洗器中清洗1-3h，然后用压缩氮气吹干，得到表面洁净的碳基材料纤维毡。其中，有机溶剂包括酒精、丙酮、氯仿、异丙醇中的一种或两种。
对表面洁净的碳基材料纤维毡进行表面活化处理，得到表面活化的碳基材料纤维毡。其中，碳基材料纤维毡包括碳纤维毡、石墨毡、硬质碳毡、硬质石墨毡中的一种；活化处理包括电晕处理、等离子体处理中的一种，优选为电晕处理。电晕处理的辐照温度为10-50℃，电压为10-30kV，处理时间为1-20min，电晕装置的电极与碳基材料纤维毡的距离为0.1-5mm。碳基材料纤维毡的厚度为1-20mm，孔径为1-20μm。
碳基材料具有较高的光吸收率、低成本和高稳定性等优点，被用来作为太阳能蒸发的光吸收剂。其中，碳纤维毡具有出色的碳化程度、良好的导电性、较强的柔韧性以及出色的大孔结构(为水蒸气的逃逸提供更多的通道，以提高水的蒸发速率)等优点，可以被广泛应用于光热转换材料中。
电晕处理是一种电击处理，是利用高频率高电压在碳基材料纤维毡表面电晕放电(高频交流电压高达5000-15000V/m2)，该过程会产生低温等离子体，等离子体电击侵蚀材料表面，使其表面粗糙度增大，同时比表面积增大，不仅为后续聚乙烯醇纤维提供更多的附着位点，而且能提高二者的结合强度。另外，电晕过程产生的低温离子体会改变碳基材料纤维毡的表面分子结构，使其表面产生游离基反应而使分子间发生交联，进一步提高材料表面的粗糙度，同时材料表面会裸露更多的活性基团，材料表面的活性基团可以和聚乙烯醇分子通过化学键键合。再者，电晕放电时还会产生大量的臭氧，臭氧作为一种强氧化剂，能使碳分子氧化而产生羰基与过氧化物等极性较强的基团，从而提高碳基材料纤维毡的表面能，以使碳基材料能够和聚乙烯醇更好地键合。
S2.静电纺丝：
将聚乙烯醇溶于水配置质量浓度为5％-30％的聚乙烯醇纺丝液，将配置好的聚乙烯醇纺丝液加入静电纺丝机进行静电纺丝，将步骤S1制备的表面活化的碳基材料纤维毡作为静电纺丝接收装置，在其表面沉积预设厚度的超细聚乙烯醇(PVA)纤维层，得到聚乙烯醇/碳基材料复合纤维毡。聚乙烯醇纤维强度高、模量高、拉伸度低、耐磨、抗酸碱、耐候性好，耐日光，经长时间太阳照射强力损失率低。
具体地，静电纺丝的电压为10-40kV，接收距离为10-25cm，注射器的推进速率(流速)为0.1-1mL/h，环境温度为20-40℃，湿度为45％-65％。通过调节静电纺丝过程的参数可以发现，(1)聚乙烯醇纤维直径随着纺丝液浓度的增加而增加；(2)聚乙烯醇纤维直径随着电压的变化而变化：当电压从15kV增加至25kV时，纤维直径逐渐下降；电压从25kV增加至30kV时，纤维直径反而开始增加；(3)聚乙烯醇纤维直径随着接收距离的增加而减小。当纺丝液的质量浓度为15％，电压25kV，接收距离为15cm，流速0.2mL/h时，聚乙烯醇纤维的形貌和直径最佳，静电纺丝过程也最稳定。
纺丝温度对静电纺丝纤维的影响是多方面的：一方面，升高温度有利于溶剂的挥发，使射流在电场中快速固化，使纳米纤维直径增大；另一方面，纺丝温度也会影响纺丝液的粘度及表面张力。而湿度对静电纺丝纤维的影响主要表现在影响溶剂的挥发性：升高湿度会减低溶剂的挥发速度，反之亦然。因此可以通过调节纺丝环境的温湿度对静电纺丝所得的纳米纤维形貌进行调控，进而对制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的结构进行调控。
静电纺丝制备的超细聚乙烯醇纤维，直径只有棉纤维的千分之一，超细聚乙烯醇纤维层可以通过差动毛细效应提升导湿效率(差动毛细效应即织物单向导湿效应，当织物内层即聚乙烯醇纤维层的纤维线密度大于外层即碳基材料纤维层纤维线密度时，在织物内外层就会形成毛细效应附加压力差，在这种压力差的作用下，织物中的液态水分自动地从内层扩散到外层)，水更容易被抽至疏水性碳基材料纤维毡和亲水性聚乙烯醇缩醛纤维层的交界处；同时超细聚乙烯醇纤维的比表面积更大，孔隙结构更为丰富，为水蒸气的逃逸提供更多的通道，以提高水的蒸发速率。超细聚乙烯醇纤维层的厚度为30-2000μm，孔径为0.1-10μm，纤维直径为160-200nm。
经电晕处理的碳基材料纤维毡不仅表面粗糙，比表面积大，而且表面有大量的活性基团，静电纺丝得到的超细聚乙烯醇纤维不仅能够通过化学键键合在碳基材料纤维毡表面，同时不同根的超细纤维之间发生不同程度的交缠，形成孔径均匀的特殊结构的超细聚乙烯醇纤维层。
S3.缩醛化处理：
将步骤S2制备的聚乙烯醇/碳基材料复合纤维毡的超细聚乙烯醇纤维层浸入含有强酸催化剂的醛溶液中(整个聚乙烯醇/碳基材料复合纤维毡漂浮在溶液上，该过程中，碳基材料纤维毡不与溶液接触，只有超细聚乙烯醇纤维层与溶液接触)，在60-90℃下反应20-30min，对超细聚乙烯醇纤维层进行缩醛化处理，使其变成超细聚乙烯醇缩醛纤维层，得到高效光热转化亲/疏水纤维毡。
其中，强酸催化剂包括浓硫酸、盐酸、硝酸中的一种或两种；醛溶液为甲醛溶液、乙醛溶液、丁醛溶液、戊二醛溶液中的一种或两种；醛含量与超细聚乙烯醇纤维的质量比为(1-3):(3-8)。缩醛化反应必须在酸性条件下进行，酸性愈高，反应速度愈快，但是反应速度太快会造成缩醛化反应不完全，致使游离醛含量高；反应速度太慢则反应时间太长。将pH调至2.0-2.5时，反应条件较为合适。超细聚乙烯醇纤维层的缩醛度为16-65％，超细聚乙烯醇缩醛纤维层的厚度与超细聚乙烯醇纤维层基本相同；孔径略小于超细聚乙烯醇纤维层；纤维直径略大于超细聚乙烯醇纤维层。
聚乙烯醇分子中含有大量的羟基，醛分子中含有强极性的羰基，醛羰基的碳显较强的正电性，而聚乙烯醇分子中的羟基氧具孤对电子，羟基氧以其孤对电子进攻羰基碳形成半缩醛；半缩醛的氢氧根离子不稳定，极易与另一分子醇脱水缩合形成缩醛。聚乙烯醇缩醛化具体的反应原理如图2所示，图中以甲醛为例。
所得高效光热转化亲/疏水纤维毡的结构示意图如图1所示，1为碳纤维毡，2为电晕处理产生的粗糙界面，3为缩醛化的超细聚乙烯醇纤维层(即超细聚乙烯醇缩醛纤维层)。
本发明还提供了一种高效光热转化亲/疏水纤维毡，采用上述所述的高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法制备得到。将该高效光热转化亲/疏水纤维毡用于海水淡化处理时，碳基材料纤维毡由于疏水性自然漂浮在水面上，超细聚乙烯醇缩醛纤维层则浸入水中，以实现高效供水；碳基材料吸收太阳能并将其转化为热能，对碳基材料纤维毡毛细吸附的水及其与超细聚乙烯醇缩醛纤维层交界处以上的水进行加热，产生的水蒸气从碳基材料纤维毡和超细聚乙烯醇缩醛纤维层的丰富的孔隙中逃逸。
下面通过多个实施例对本发明进行详细描述：
实施例1
一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，包括如下步骤：
S1.表面活化：
先将厚度为10mm的疏水性碳纤维毡浸入丙醇中浸泡30min，使碳纤维毡表面的胶层及其附着物溶解；再将碳纤维毡放入超声清洗器中清洗2h，然后用压缩氮气吹干，得到表面洁净的碳基材料纤维毡。
对表面洁净的的碳纤维毡表面进行电晕处理，得到表面活化的碳纤维毡。其中，电晕处理的辐照温度为25℃，电压为15kV，处理时间为10min，电晕装置的电极与碳纤维毡的距离为2mm。
S2.静电纺丝：
将聚乙烯醇配置质量浓度为15％的聚乙烯醇纺丝液，将配置好的聚乙烯醇纺丝液加入静电纺丝机进行静电纺丝，将步骤S1制备的表面活化的碳纤维毡作为静电纺丝接收装置，在其表面沉积厚度为2mm的超细聚乙烯醇纤维层，得到聚乙烯醇/碳纤维复合纤维毡。
具体地，静电纺丝的电压为25kV，接收距离为15cm，流速为0.2mL/h，环境温度为25℃，湿度为60％。
S3.缩醛化处理：
向200mL去离子水中加入一定量的浓硫酸，将pH值调节在2-2.5，将配置好的硝酸溶液加入甲醛溶液中，混合均匀。将步骤S2制备的聚乙烯醇/碳纤维复合纤维毡的超细聚乙烯醇纤维层浸入配好的甲醛溶液中，甲醛含量与超细聚乙烯醇纤维的质量比为2:5，在70℃下反应25min，对亲水性的聚乙烯醇纤维进行缩醛化处理生成亲水性的聚乙烯醇缩甲醛纤维，最终得到高效光热转化亲/疏水纤维毡。
将实施例1制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡置于一个标准模拟太阳光下(即1kW/m2)，同时置于不同浓度的NaCl溶液中进行连续30天的光热蒸发测试。其中，NaCl溶液的质量分数分别为2％、3.5％、5％，由试验可知，该高效光热转化亲/疏水纤维毡在不同浓度的NaCl溶液中，碳纤维毡的表面及内部均未产生盐沉积，说明该纤维毡的蒸发速率和稳定性均较好，可以长期稳定地工作。该高效光热转化亲/疏水纤维毡在3.5％的NaCl溶液的蒸发效率为86％，蒸发速率为2.62kg·m-2·h-1。
实施例2-3
一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，步骤S1中，电晕处理过程的电压不同，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
将实施例1-3制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡置于一个标准模拟太阳光下(即1kW/m2)、同时置于质量浓度为3.5％的NaCl溶液中进行光热蒸发测试，结果如表1所示。
表1实施例1-3制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的相关性能
实施例 电压(kV) 蒸发效率(％) 蒸发速率(kg·m-2·h-1)
实施例1 15 86 2.62
实施例2 10 80 2.24
实施例3 30 83 2.43
由表1可知，随着电晕处理过程电压的增大，制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的蒸发效率和蒸发速率均逐渐增大而后减小。这主要是因为随着电晕处理过程电压的增大，碳纤维毡表面粗糙度增大，同时在纤维表面引入了更多的极性基团，使晶区含量增加，更有利于后续聚乙烯醇超细纤维的附着与交缠，以形成结构更佳的高效光热转化亲/疏水纤维毡，从而使其性能较优。但是电压过高时，会使碳纤维毡表面刻蚀较为严重，从而影响高效光热转化亲/疏水纤维毡的的性能。
同时，电晕处理对碳纤维毡的刻蚀作用使其表面变得粗糙，增强了纤维间的摩擦力，从而使制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的强度提高。但是，当电晕处理的电压过大时，碳纤维毡表面的分子链断裂较为严重，使其强度有所下降，进而影响制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的强度。通常，电晕处理虽然具有电子密度高、能量大、更易于发生或引发相关物理化学反应的特点，但它的作用深度仍限于纤维的表面层范畴(<10-8m)，不会对纤维大分子主链构成损害，因而在一般条件下，不会对纤维、织物的强力造成损伤，不影响织物的使用性能。
电晕处理也需要在合理的时间内进行，随着处理时间的不断增加，纤维表面分子链断裂形成小分子物质，而后小分子物质会被长时间的电晕处理除去，使纤维的表面结构造成严重的破坏，而影响制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的性能。
实施例4-9
一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，步骤S2中，静电纺丝过程的参数设置不同，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
将实施4-9制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡置于一个标准模拟太阳光下(即1kW/m2)、同时置于质量浓度为3.5％的NaCl溶液中进行光热蒸发测试，结果如表2所示。
表2实施例4-9制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的相关性能
由表2可知，随着静电纺丝的纺丝液浓度的增加(实施例1、4、5)，制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的蒸发效率和蒸发速率先增大后减小。这主要是因为纺丝液浓度较低时，得到的聚乙烯醇超细纤维的直径太细，容易断裂，不能很好地粘附并交缠在碳纤维毡上；而纺丝液浓度较大时，粘度较大，外表张力较大，纺丝过程较为困难，使得到的纤维性能不佳，最终均影响制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的性能。
随着静电纺丝电压的增大(实施例1/6/7)，制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的蒸发效率和蒸发速率依然是先增大后减小。这主要是因为，随着静电纺丝电压的增大，静电纺丝液的射流有更大的外表电荷密度，因而有更大的静电斥力，但电压过大，纺丝细流之间的静电斥力过大，纤维之间无法发生充分的交缠，而使聚乙烯醇超细纤维层的结构松散，以致影响高效光热转化亲/疏水纤维毡的的性能；电压较小时，纺丝细流之间的静电斥力小，不同细流之间交缠严重，使制备的聚乙烯醇超细纤维层孔径过小，严重影响其对水分的输送，以使高效光热转化亲/疏水纤维毡的蒸发效率和蒸发速率较小。
通过调节施加的电压，打破表面张力与电场力的平衡，针头顶端的液滴将会产生不同的表面形状，从而影响所产生的喷射液滴及细流尺寸的分布情况和纤维形态，最终影响制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的性能。
随着静电纺丝接收距离的增大(实施例1/8/9)，制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的蒸发效率和蒸发速率依然是先增大后减小。纤维制备过程中，聚合物液滴从针头喷出后，在空气中伴跟着溶剂挥发，聚合物浓缩固化成纤维，最终被接纳器接纳。接收距离过大，纺丝细流的拉伸距离较长，使纤维的直径减小，而收集距离过小，纺丝细流未经过充分的拉伸便已沉积在碳纤维毡上，这两种情况均不利于得到结构较优的高效光热转化亲/疏水纤维毡，因此性能较差。
实施例10-14
一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，步骤S3中，缩醛化过程的参数设置不同，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
将实施例10-14制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡置于一个标准模拟太阳光下(即1kW/m2)、同时置于质量浓度为3.5％的NaCl溶液中进行光热蒸发测试，结果如表3所示。
表3实施例10-14制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的相关性能
由表3可知，随着pH的增大(实施例1/10/11)，制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡的蒸发效率和蒸发速率依然是先增大后减小。这主要是因为当pH过低时，催化剂过量，反应过于猛烈，造成局部缩醛度过高，同时产生不溶于水的物质；当pH过高时，反应过于迟缓甚至停止，结果往往会使聚乙烯醇缩醛化程度过低。这两种情况均会影响缩醛化反应，进而影响高效光热转化亲/疏水纤维毡的性能。
当所用的醛为戊二醛时，依然能使制备的高效光热转化亲/疏水纤维毡性能优异。
对比例1
一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，碳纤维毡未经过步骤S1的电晕处理，直接将疏水性碳纤维毡作为静电纺丝接收装置，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。所得高效光热转化亲/疏水纤维毡的蒸发效率为69％，蒸发速率为1.27kg·m-2·h-1，明显低于实施例1。这主要是因为，碳纤维毡未经电晕处理，碳纤维与聚乙烯醇缩醛纤维层的结合力较弱，同时碳纤维上粘附的聚乙烯醇缩醛纤维含量少，结构杂乱，是孔隙结构杂乱，进而影响材料的性能。
对比例2
一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，聚乙烯醇纤维层未经过缩醛化处理，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。所得高效光热转化亲/疏水纤维毡的蒸发效率为73％，蒸发速率为1.66kg·m-2·h-1，明显低于实施例1，同时由于聚乙烯醇的耐热水性较差，在聚乙烯醇和碳纤维毡的接触处(此处温度较高)，聚乙烯醇纤维容易发生破坏，且聚乙烯醇会缓慢的溶解。
对比例3
一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，先采用静电纺丝制备聚乙烯醇纤维，然后将其缩醛化得到聚乙烯醇缩甲醛纤维，再将聚乙烯醇缩甲醛纤维负载在碳纤维毡上。所得高效光热转化亲/疏水纤维毡的蒸发效率为69％，蒸发速率为1.28kg·m-2·h-1，明显低于实施例1。
对比例4
一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，步骤S2中采用离心纺制备聚乙烯醇纤维。所得高效光热转化亲/疏水纤维毡的蒸发效率为67％，蒸发速率为1.06kg·m-2·h-1，明显低于实施例1，说明静电纺丝得到的特殊结构的孔径更有利于水的蒸发。
综上所述，本发明提供了一种高效光热转化亲/疏水纤维毡及其制备方法，聚乙烯醇分子和碳基材料纤维分子通过化学键键合，同时聚乙烯醇纤维层形成均匀的孔隙，另外，静电纺丝技术得到的超细聚乙烯醇纤维具有较细的纤维直径、较大的比表面积和丰富的孔隙结构，不仅能有效提高导湿效率，水更容易被抽至疏水性碳基材料纤维毡和亲水性聚乙烯醇缩醛纤维层的交界处；同时为水蒸气的逃逸提供更多的通道，提高水的蒸发速率；水蒸发过程中盐只能沉积在亲水纤维层中，由于亲水层高效的抽水效率，水不断向亲水层聚集，沉积的盐很快就会溶解，不会在碳基材料纤维毡上形成盐沉积。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.对碳基材料纤维毡进行表面活化处理；所述活化处理为电晕处理；所述电晕处理的辐照温度为10-50℃，电压为10-30kV，处理时间为1-20min，电晕装置的电极与所述碳基材料纤维毡的距离为0.1-5mm；
S2.利用静电纺丝技术在表面活化的所述碳基材料纤维毡上接收超细聚乙烯醇纤维层；
S3.对所述超细聚乙烯醇纤维层进行缩醛化处理，得到高效光热转化亲/疏水纤维毡；所述缩醛化处理具体为：将所述超细聚乙烯醇纤维层浸入含有强酸催化剂的醛溶液中，在60-90℃下反应20-30min；其中，所述强酸催化剂包括浓硫酸、盐酸、硝酸中的一种或两种；所述醛溶液为甲醛溶液、乙醛溶液、丁醛溶液、戊二醛溶液中的一种或两种；所述醛溶液与所述超细聚乙烯醇纤维的质量比为(1-3):(3-8)。
2.根据权利要求1所述的高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，其特征在于：所述碳基材料纤维毡的厚度为1-20mm，孔径为1-20μm；所述超细聚乙烯醇纤维层的厚度为30-2000μm，孔径为0.1-10μm，纤维直径为160-200nm；所述超细聚乙烯醇纤维层的缩醛度为16-65％。
3.根据权利要求1所述的高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，其特征在于：所述碳基材料纤维毡包括碳纤维毡、石墨毡中的一种。
4.根据权利要求1所述的高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述静电纺丝具体为：先配置质量浓度为5％-30％的聚乙烯醇纺丝液，再将所述聚乙烯醇纺丝液加入静电纺丝机中进行静电纺丝。
5.根据权利要求4所述的高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝的电压为10-40kV，接收距离为10-25cm，注射器的推进速率为0.1-1mL/h，环境温度为20-40℃，湿度为45％-65％。
6.根据权利要求1所述的高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，其特征在于：将所述碳基材料纤维毡进行表面活化处理之前，需要对所述碳基材料纤维毡进行清洗。
7.根据权利要求6所述的高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法，其特征在于：所述清洗具体为：将所述碳基材料纤维毡浸入有机溶剂中，溶解碳基材料纤维毡表面的胶层及其附着物，再将所述碳基材料纤维毡放入超声清洗器中清洗后用压缩氮气吹干；其中，所述有机溶剂包括酒精、丙酮、氯仿、异丙醇中的一种或两种。
8.一种高效光热转化亲/疏水纤维毡，其特征在于：采用权利要求1至7中任一项所述的高效光热转化亲/疏水纤维毡的制备方法制备得到。
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