用于太阳能水蒸发的非织造光热转化材料的制备及性能研究

朱雅琴，黄 晨

(东华大学，上海 201620)

近年来，太阳能以其储量丰富，分布广泛等特点在能源市场中脱颖而出[1]，通过光热转化技术利用太阳能进行水蒸发，为海水淡化、污水净化等领域提供了新的解决方案[2]。目前太阳能水蒸发系统主要分为体积型和界面型两种[3，4]。在体积型水蒸发系统中，研究者将光热转化颗粒均匀分散在液体中辅助蒸发，以解决因水比热容大导致的升温过慢的问题[5，6]。由于蒸发仅发生在气液界面，因此在界面型水蒸发系统中，研究者所制备的太阳能光热转化材料直接可浮于水面[7]，将热量集中在气液界面进行局部加热，进一步提升了能量利用率，成为了主要的研究方向[8]。

在界面型水蒸发系统中，太阳能光热转化材料的性能研究目前主要集中在4个方面：光能吸收[9]、热能管理[10]、水分传输[11]以及水分蒸发[12]。在光热转化材料的选取上，碳材料以其π-π能级结构实现了较宽的吸光范围和较高的吸光度[13，14]，成为近年来热门的光热材料。为实现集中的热能管理，研究者逐步将蒸发区域和整体水区域分隔开来[15]，选用导热系数低的原料制备基材，将热量集中在气液界面[16]。在水分传输与蒸发方面，研究者发现当具有多孔结构的光热转化材料[17]与水面直接接触时，表层水在毛细作用力下通过材料中相互连通的水路可传输到材料表面进行蒸发，实现稳定的水分传输[18]。

为此，本文采用非织造梳理成网和针刺加固工艺，以皮芯结构的聚丙烯/聚乙烯(PP/PE)双组份纤维为原料，高浓化纤亲水三元硅油为亲水剂，制备亲水非织造材料作为基材，然后通过超声分散法、喷涂法与高温处理工艺将多壁碳纳米管(MWCNTs)负载于非织造材料表面形成非织造光热转化材料，最后对所得材料进行结构和太阳能水蒸发应用性能测试与分析。

1 试验部分

1.1 试验材料与仪器

试验原料：PP/PE双组份纤维(直径：17.6 μm，皮芯结构，导热系数：0.038 W·m-1·K-1)。

试验试剂：多壁碳纳米管(MWCNTs，长度：<30 μm，直径：10 nm)，中科院成都有机化学有限公司；去离子水，东华大学化工学院提供；无水乙醇(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司；K-994高浓化纤亲水三元硅油(广东科峰新材料有限公司)；氯化钠(NaCl)，国药集团化学试剂有限公司。

仪器：FZS-600型非织造实验室梳理机(常熟伟成非织造成套设备有限公司)；WFC-100型针刺机(常熟伟成非织造成套设备有限公司)；保温式GZ-108B型热风干燥机(东华大学纺织学院提供)；F-040S型超声机(深圳福洋科技集团有限公司)；EM6200型扫描电子显微镜(北京中科科仪股份有限公司)；YG026MB型多功能电子织物强力机(温州方圆仪器有限公司)；YG461E型全自动透气性测定仪(温州方圆仪器有限公司)；YG601H型透湿仪(温州方圆仪器有限公司)；CFP-1100-AI多孔材料孔径分析仪(美国PMI公司)；DSC4000差示扫描量热仪(温州方圆仪器有限公司)；红外热像仪(美国菲力尔系统公司)；Solar-500L模拟太阳能系统(北京纽比特科技有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1纤维亲水整理

按照质量比1∶3的比例将一定量的高浓化纤亲水三元硅油搅拌溶解在去离子水中，而后继续加入去离子水将其稀释至10倍质量。将PP/PE纤维浸入亲水剂溶液中，反复搅拌，浸泡处理24 h。将亲水整理后的纤维在鼓风烘箱中低温(60 ℃)干燥，24 h后得到多亲PP/PE双组份纤维。

1.2.2非织造材料的制备

亲水PP/PE纤维经过手动开松后，经喂棉罗拉喂入梳理机，在锡林、工作罗拉与转移罗拉的三方作用下被分梳成单根纤维，由道夫输出为蓬松纤网。然后，蓬松纤网通过针刺加固成为非织造材料。根据针刺工艺要求，拟定非织造材料克重为120 g·m-2。实验用梳理机的幅宽为50 cm，卷筒一圈周长为2 m，纤维经过充分梳理后卷绕在卷绕棍上即可直接成型制得面积为1 m2的蓬松纤网。因此，设定纤维喂入量为120 g。

实验用针刺机植针密度为3200枚/min，针刺深度为10 mm。打开针刺机，调节装置参数，设定针刺频率为600 rpm，纤网移动速度为1 m/min。将蓬松纤网喂入针刺机，刺针穿过纤网时，将纤网表面纤维刺入纤网内部，纤维在纵向和横向上形成相互缠结，经过2道针刺成型制得具有一定强力的PP/PE双组份非织造材料。

1.2.3光热转化材料的附着

称取0.1 g MWCNTs，将其分散于99.9 g无水乙醇中,采用超声分散法配制成0.1%浓度的分散液。超声波设备功率为450 W，设定超声时间为20 min。将分散液装入喷瓶中，在空气压力的作用下，分散液被细化成小液滴附着到非织造材料的亲水纤维表面。

皮芯结构的PP/PE双组分纤维中皮层和芯层聚合物熔点有一定差异。将附着了MWCNTs的非织造材料在高于皮层聚合物熔点，但低于芯层聚合物熔点的140 ℃下处理5 min。

1.3 试验表征

1.3.1材料微观形貌观察(SEM)

将样品在真空条件下喷金后，采用EM6200型扫描电子显微镜对其微观形貌进行观察分析。

1.3.2碳纳米管附着牢度表征

将喷涂了MWCNTs的非织造材料浸入去离子水中，并将其放在磁力搅拌器上，放入磁子，快速搅拌清洗，10 min后取出。记录附着MWCNTs前后以及清洗后的非织造材料的质量，通过式(1)进行附着牢度的量化表征。

式(1)

式中：D为碳纳米管的损耗率；m0为PP/PE非织造材料的初始重量，g；m1为附着MWCNTs后的PP/PE双组分非织造材料的重量，g；m2为该材料进行10 min搅拌清洗烘干后的重量，g。

1.3.3材料孔径测试

根据标准GB/T 2679.14，利用CFP-1100AI孔径分析仪，采用泡点法进行孔径测试。试样被已知表面张力的润湿剂完全浸润后放入试样室，气体受到压力先后通过试样湿态和干态时的毛细孔，通过分析气体经过试样时的压力和气流的变化数据，计算得出试样的孔径结构以及分布情况，试样尺寸为3 cm×3 cm。

1.3.4材料透气性能测试

根据标准GB/T 5453-1997，采用YG461E型全自动透气仪进行测试。测试过程中，压降设置为200 Pa，试样面积为30 cm2。试样均测试10次后取平均值。

1.3.5材料透湿性能测试

根据美国材料试验协会透湿量测试标准ASTM E96，采用YG601H透湿测试仪，在试验环境温度38 ℃、相对湿度50%、1 m/s风速的条件下对试样进行正杯法透湿性能的测试，测试时间为1 h，试样均测试3次后取平均值。

1.3.6材料拉伸力学性能测试

参照GB/T 24218.3-2010，采用YG026MB型多功能电子织物强力机对材料的拉伸性能进行测试，试样尺寸为50 cm×100 cm，拉伸速度为100 mm/min。

1.3.7模拟太阳能水蒸发性能测试

配制浓度为3.5%的NaCl水溶液作为模拟海水盛在烧杯中，将非织造光热转化材料裁剪成圆形(R=2.4 cm)放置在模拟海水表面，然后将整个装置放置在模拟太阳能光源辐射范围内的电子天平上并实时记录质量变化，外接红外热像仪与电脑连接实时检测材料温度。打开模拟太阳能光源设备，调节电压获得1个模拟太阳的光强，水蒸发实验时长为8 h。实验初期，记录下液体的初始质量，此后每隔1分钟记录下天平的读数，当液体减少的质量达到稳定时，以此为初始时刻，每隔0.5小时记录一次天平的质量，分别记为m1和m2，则蒸发速率V可以通过式(2)计算得到[19]。

式(2)

式中：V为蒸发速率，kg·m-2·h-1；m1、m2分别为两个时刻下液体的质量，kg；A为实验样品的表面积，m2；h为液体质量记录时间间隔，h。

1.3.8室外水蒸发性能测试

将非织造光热转化材料裁剪成圆形(R=2.4 cm)放置在模拟海水上，整个装置放置在天平上，每隔1小时记录质量变化，实验在东华大学纺织学院楼顶楼进行，当天温度27 ℃，相对湿度60 %，从早上6点至晚上6点水蒸发实验持续12个小时。

2 结果与讨论

2.1 MWCNTs附着情况分析

图1为非织造材料附着MWCNTs前后的扫描电镜图，从图1(a)中可以看到PP/PE双组份纤维的皮芯结构，PE为皮层，PP为芯层。非织造材料中纤维相互缠结形成孔径结构，有利于水蒸发应用中蒸汽的逸散。图1(b)中可以看到，MWCNTs为纳米尺寸，具有较大的比表面积，可与纤维之间形成较强的范德华力，其均匀地附着在纤维表面，非织造材料表面呈现出深黑色。

图1 (a)非织造材料和(b)MWCNT-非织造材料的SEM图与实物图 (c)MWCNT-非织造材料的水洗效果图

如图1(c)所示，附着了MWCNTs的非织造材料在搅拌清洗的过程中，几乎未有MWCNTs掉落，水溶液颜色未有变化，展现出较好的附着牢度。此外，从图中还可以发现，在反复的搅拌清洗后，由于PP/PE纤维密度小于水，非织造材料仍能浮于水面。

为了探究高温处理工艺的效果，计算了有无高温处理情况下的MWCNT-非织造材料的清洗损耗率。高温处理后，PP/PE纤维的皮层PE发生熔融，纤维表面MWCNTs嵌入皮层，冷却后固结在皮层中，实现“热焊接”效应，有效提高了MWCNTs的附着牢度，从图1(b)中可以直观地看到高温处理后纤维发生粘连，MWCNTs固结在皮层聚合物中。根据式(1)得到的计算结果也表明通过高温处理工艺，MWCNTs的清洗损耗率从87.6 %降低至2.9 %，有效提升了MWCNTs的附着效果。

2.2 MWCNT-非织造材料的孔径结构分析

图2(a)为非织造材料附着MWCNTs前后的孔径分布图，从图中可以发现附着MWCNTs前后，非织造材料的孔径稍有下降，未发生明显变化。纤维相互缠结形成平均孔径为46 μm的多孔结构，在亲水纤维的毛细作用力下，水分通过相互连通的三维水路传输到表层纤维中，可进行界面蒸发，产生稳定蒸汽。

图2 附着MWCNTs前后非织造材料的(a)孔径分布图 (b)透气与透湿性能

图2(b)为非织造材料附着MWCNTs前后的透气透湿性能变化，纤维表面均匀附着MWCNTs，非织造材料的孔径结构未发生明显变化，因此透气和透湿性能也均保持稳定。MWCNT-非织造造材料展现出389 g·m-2·h-1和透湿量和2882 mm·s-1的透气量，可以保证水蒸发过程中蒸汽的稳定逸散。

2.3 MWCNT-非织造材料的力学性能分析

图3为非织造材料附着MWCNTs前后的强力-伸长率曲线，在拉伸断裂的过程中，纤维受到外力作用首先在非织造材料中沿着外力方向定向排列，紧接着在外力作用下发生断裂。附着MWCNTs前后非织造材料的拉伸强力和伸长率未发生明显变化，说明MWCNTs在纤维表面均匀附着，未产生明显团聚，因此未有应力集中现象。此外，MWCNT-非织造材料展现出176 N的高断裂强力，具有较好的结构稳定性。

图3 附着MWCNTs前后非织造材料的拉伸断裂曲线

2.4 MWCNT-非织造材料在模拟太阳能下的水蒸发性能分析

从图4(a)中可以看到MWCNT-非织造材料在干态和湿态下分别可以升温至75 ℃与42 ℃，干态下MWCNTs附着在非织造材料的粗糙表面，具有较强的吸光度和光热转化能力，在水蒸发实验中，大量转化的热量用于非织造材料中亲水纤维的毛细作用力抽吸上来的界面水的蒸发，因此湿态下材料表面温度下降至42 ℃。从图4(b)中也可以发现，在水蒸发过程中，热量集中在材料的表面，因此有效提高了界面处的水分蒸发能力。

从图4(c)中可知2 h的模拟太阳能水蒸发实验中，MWCNT-非织造材料作为一种界面型光热转化材料展现了较强的水分蒸发能力，同等条件下非织造材料和仅有模拟海水的对照组中，质量变化较小，说明MWCNTs附着在非织造材料上为该材料提供了较强的光热转化能力，而非织造材料的亲水特性和多孔结构带来的毛细作用又保证了水分的稳定传输，实现高效的界面水蒸发。从图4(d)中可以发现，在1 h内MWCNT-非织造材料可以达到1.31 kg·m-2·h-1的蒸发速率，并在8 h的水蒸发实验中基本保持稳定。

图4 MWCNT-非织造材料模拟太阳能水蒸发实验中(a)干态和湿态下的表面温度变化 (b)湿态红外热像图 (c)水蒸发质量变化 (d)蒸发速率

2.5 MWCNT-非织造材料室外水蒸发性能分析

从图5中可以看到在室外水蒸发实验中，MWCNT-非织造材料相对仅有模拟海水的对照组，蒸发速率有了显著提升，在一天中，随着太阳光强的变化，蒸发速率先升高再降低，并能够持续稳定的进行水蒸发，在14时蒸发速率达到最高，为1.28 kg·m-2·h-1。全天室外模拟海水蒸发量可以达到9.36 kg·m-2·d-1。

图5 MWCNT-非织造材料的室外水蒸发速率变化

2.6 MWCNT-非织造材料的光热转化效率

在界面型水蒸发材料的研究中，常用光热转化效率来评估材料的性能优劣，该参数可根据式(3)进行计算[20]。

式(3)

式中：光热转化效率η为水蒸发实验中消耗的能量在输入的总能量中的占比，%；m为蒸发速率, kg·m-2·h-1；hlv为水蒸发实验总的蒸发焓(显热+潜热), kJ·kg-1；Copt为模拟太阳光源光学浓度；P0为1个太阳下的太阳能量密度, 1kw·m-2。

根据式(3)计算MWCNT-非织造材料在1个模拟太阳和室外环境中的光热转化效率如图6所示。在水蒸发实验中，附着在纤维上的MWCNTs吸收光能转化为热能，模拟海水在非织造材料的亲水作用下通过多孔三维通道传输到材料表面。表面亲水纤维上的模拟海水吸收热能发生相变，在气液界面处蒸发。导热系数较低的PP/PE双组份非织造材料将蒸发区域和模拟海水区域分隔开来，因此在1个模拟太阳和室外环境下可以分别实现87.5 %和52.1 %的光热转化效率。

图6 MWCNT-非织造材料在1个模拟太阳和室外自然光下的光热转化效率

3 结语

(1)通过选用皮芯结构的PP/PE双组份纤维作为原料，并将附着了MWCNTs的非织造材料在高于皮层熔点温度下处理5 min，可实现“热焊接”效应，将MWCNTs固结在纤维皮层中，有效提高了附着牢度。

(2)附着MWCNTs前后，非织造材料力学性能、孔径结构、透气与透湿性能均不会发生显著变化。PP/PE双组份纤维密度低，通过非织造工艺形成多孔结构的非织造材料，可浮于水面并借助亲水纤维的毛细作用力进行持续的水分传输，借助孔径结构实现稳定的蒸汽逸散。

(3)MWCNT-非织造材料具有优异的光热转化能力和水蒸发性能，在1个模拟太阳下，材料表面温度在干态和湿态下分别可以达到75 ℃和42 ℃，并在水蒸发实验中实现1.31 kg·m-2·h-1的蒸发速率与87.5 %的光热转化效率。在室外自然光水蒸发过程中，也能在12 h内稳定蒸发，并实现9.36 kg·m-2·d-1的水蒸发量和52.1%的光热转化效率。