PANI/CB界面光热织物制备及其水蒸发性能研究

王代谊 林晓凤 李钊锐 李志超 吴羽健 杨玉欣 王盼 黄彦彦

收稿日期：2023-05-17

基金项目：成都大学科研启动项目（2081921027）

作者简介：王代谊（1999—），女，硕士研究生，从事纤维功能器件研究.Email：2257282938@qq.com

通信作者：杨玉欣（1991—），女，博士，讲师，从事应用电化学及纤维功能器件研究.Email：yangyuxin@cdu.edu.cn

摘要：以碳纤维材质的棉线为基底，通过聚苯胺（PANI）原位聚合和炭黑（CB）掺杂制备PANI/CB棉线，并以其为纬线，亲水棉线为经线，编织出平纹PANI/CB光热织物.设计一种织物型的蒸发器件，聚苯乙烯泡沫为隔热材料，棉线作供水通道，PANI/CB复合材料用于吸收太阳光.测试分析PANI/CB 棉线的微观形貌和光热性能，以及PANI/CB 织物的吸光性和水蒸发性能.结果表明，经PANI/CB修饰的棉线，光热转换能力显著提高，且优于PANI棉线和CB棉线；PANI/CB 织物具备出色的光吸收能力，吸光率达到98.70%；在1 kW/m2的光照强度下，蒸发器件的蒸发速率达2.21 kg/（m2·h），光热转换效率达92.24%；此外，该光热织物具有优异的耐盐性，可以实现长期且大规模地生产淡水.

关键词：太阳能；界面蒸发；聚苯胺；炭黑；光热织物

中图分类号：TS106

文献标志码：A

0引言

太阳能驱动的海水淡化技术相比于以化石燃料为主要能源供应的反渗透［1-2］、电渗析［3-4］和膜蒸馏［5-6］等传统淡化技术，不仅成本低，还符合可持续发展的理念，已成为当前大规模生产淡水技术中极具前景的技术之一［7-8］.近年来，为提高能量利用率和蒸发效率，界面型太阳能蒸发技术已成为研究领域的主流［9-10］，该技术利用光热材料在气—液界面处将太阳能转换为热能，与传统的底端加热［11］和体积加热［12］相比，可以显著降低热传导、热对流及热辐射对蒸发性能的影响，以达到高效蒸发的目标.例如，胡颖等［13］通过原位聚合法制备聚吡咯/纸浆纤维 （PPy@PF），传统造纸法获得PPy@PF 复合光热纸，并将其应用于太阳能驱动的界面水蒸发.结果表明，PPy@PF 展现出高的光热性能和水蒸发性能，50 PPy@PF12对太阳光的吸收率高达97.50%，且在1 kW/m2的光照强度下持续照射5 min，纤维表面温度可达85.3 ℃，光热转换效率可达93.13%.

光热材料作为界面太阳能蒸发技术的核心，应选择具有出色的光谱吸收能力、光热转换能力及光稳定性高的材料［14］.目前研究广泛的光热材料主要有功能性高分子材料［15-16］，如聚苯胺（PANI）和聚吡咯（PPy）；碳纳米材料［17-18］，如炭黑（CB）和碳纳米管（CNT）；金属纳米材料［19］，如铜（Cu）和银（Ag）等.其中，PANI是一种可掺杂的高分子化合物，合成工艺多样且简单；由于自身丰富的 π 电子离域结构，使其在可见和近红外区具有优异的光吸收性能［20］.例如，Ge等［21］通过湿纺法连续制备浅色太阳能驱动的PANI/聚丙烯腈纤维，并将其应用于可穿戴加热器，其中采用原位聚合法制备PANI作为光热转化材料.结果表明，由于PANI在可见光和近红外区具有高效且稳定的光吸收，太阳能驱动的PANI/聚丙烯腈纤维表现出优越的光热转换性能，在600 W/m2下（环境温度为20.00 ℃）持续照射10 min的平衡温度达到48.12 ℃.且PANI/聚丙烯腈纤维在扭转变形时能保持稳定的力学性能，在50次洗涤循环测试中表现出良好的耐久性.CB常作为一种纳米添加颗粒，具备宽光谱吸收能力，化学性质稳定等特点［22］.例如，李金宝等［23］以纤维素纳米纤丝 （CNF）作为支撑骨架，CB作为光吸收剂，再辅以胶黏剂制备出CB/CNF复合光热材料.结果表明，CB/CNF复合光热转化材料具备优异的光吸收性能，当CB添加量为 1.00%时，对太阳光的吸收率可达9205%，且在一个模拟太阳光照下，水蒸发速率可达1.17 kg/（m2·h）.同时，该材料也具有良好的亲水性和隔热性能，导热系数维持在 0.05 W/（m·K）左右.PANI与CB组成的复合材料，提高了光热转换性能，为进一步应用于高效海水淡化提供了保障.然而，仅靠单独组装的光热材料进行水蒸发，不具备尺寸化且寿命短.纺织材料具有孔隙率高与柔性等优势，成本低廉，可用于支撑光吸收材料，同时具有高效的水运输与水蒸气逸出［24］.以织物作为基底，负载光热材料，设计出一种织物型界面蒸发器件，不仅有助于大批量制件，也适用于实际生产.

本研究以棉线为基底，在其表面原位聚合生成PANI/CB复合光热材料.利用传统飞梭编织工艺，PANI/CB 棉线作纬线，亲水棉线和空白棉线作经线，编织成平纹PANI/CB织物.基于PANI/CB织物，设计一种桥式的界面蒸发器件，将织物与聚苯乙烯泡沫（EPS）进行组合，并置于盛水容器上，织物呈现拱形.该器件以PANI/CB棉线为光热材料，以EPS作为隔热材料，以织物两端垂落并浸润在水中的棉线作为供水通道，进行水蒸发研究.在1 kW/m2的模拟太阳光照射下，水蒸发速率达2.21 kg/（m2·h），光热转换效率达92.24%.这种通过调控光热材料和蒸发器件设计出的高性能蒸发器为充分利用太阳能开辟了新途径，为持续海水淡化提供新思路.

1材料与方法

1.1仪器

JIB4700F型扫描电子显微镜（SEM）（日本电子株式会社），Lambda 1050型配备积分球的紫外/可见/近红外分光光度计（UV/VIS/NIR）（珀金埃尔默股份有限公司），HT19型红外热像仪（深圳市莱讯特科技有限公司）.

1.2材料

棉线，购自玉锦纺织有限公司；CB，购自江苏先丰纳米材料科技有限公司；过硫酸铵、盐酸、苯胺和无水乙醇，均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氯化钠，购自成都市科隆化学品有限公司；所有试剂未经过任何提纯均直接使用.

1.3样品制备

1.3.1棉线预处理

裁剪棉线，并依次用去离子水、无水乙醇和去离子水超声清洗10、20和10 min，以除去棉线表面多余杂质，最后放入烘箱（60～80 ℃）烘干备用.

1.3.2PANI/CB棉线的制备

首先，称取过硫酸铵1.141 g溶解于50 mL盐酸溶液中.随后加入0.125 g CB，搅拌均匀，取经预处理过后的棉线置于溶液里，用玻璃棒将其按压至完全浸润，再加入磁石并置于磁力搅拌器中冰浴（低于4 ℃）.其次，将含有苯胺单体（0.460 mL）和乙醇（1 mL）的溶液加入到上述已配置好的混合溶液里，继续在磁力搅拌器中冰浴，反应140 min.最后，等待反应结束，经真空抽滤机过滤纯化，再用去离子水冲洗数次至滤液基本无色，以去除多余试剂，后经干燥得到PANI/CB 棉线.

1.3.3PANI/CB织物的制备

以PANI/CB棉线作纬线，以6根亲水棉线及4根空白棉线作经线，通过飞梭织造装置编织成平纹织物，编织22组，厚度为0.4 cm.PANI/CB织物精准控制棉线数量，平纹有助于水蒸气逸出，织物两端作为水运输通道，上下两层的PANI/CB棉线作为光热材料应用于水蒸发实验.

1.4测试与表征

使用SEM表征负载PANI/CB前后棉线的微观形貌和结构，测试电压为10 kV；使用UV/VIS/NIR表征光热织物的反射率，光谱范围为 200～2 500 nm，吸光率=100%-反射率；使用红外热像仪在氙灯的照射下记录PANI/CB 织物表面的温度变化.

1.5光热水蒸发实验

室内蒸发实验环境温度控制在（25±1）℃，湿度控制在40%±5%.采用桥式，将PANI/CB织物（5 cm×4 cm）和厚度为1 cm的EPS放置在盛水烧杯上，将样品两端嵌入EPS中并垂落浸润在烧杯里.利用氙灯作为太阳光模拟器，提供平均光强为1 kW/m2的模拟太阳光，持续照射PANI/CB织物1 h.通过电子天平每隔10 min记录1次蒸发装置的质量变化，红外热像仪每隔10 min记录1次样品表面的温度变化.在相同的实验条件下，重复上述实验10次，每次蒸发测试结束，将样品放入烘箱内烘干，以便后续使用.水蒸发速率 （kg/（m2·h）） 可以通过每小时的重量变化 （kg/h） 除以辐照面积 （m2） 来计算.光热转换效率可以通过公式η=（mhLV）/qi来计算（其中，m为光诱导的相对水蒸发速率，kg/（m2·h）；hLV为水的液—汽相总潜热，2260 kJ/kg；qi为模拟太阳光的辐照强度，kW/m2） ［25］.

2结果与分析

2.1微观结构分析

图1为棉线负载PANI/CB材料前后不同放大倍数下的SEM图.从图1（A）和图1（B）可以看出，空白棉线表面平整光滑，无任何明显杂质，为负载光热材料提供更大的表面积.纤维间相互缠结形成大量的孔径结构，不仅有利于高效的水运输与水蒸气逸出，还具有良好的隔热性能，以及可充当捕获光子的陷阱，降低能量损失.从图1（C）和图1（D）可以看出，PANI/CB均匀密集地包裹在每根纤维表面，形成具有一定厚度的涂层，且仍保留了空白棉线的高孔隙率.同时，纤维表面粗糙度显著增加，有助于进行多重散射，使得光子被捕捉的机会增加，提高光吸收效率.以上说明PANI和CB已成功修饰在棉线表面.

在此基础上，为保证样品表面具有更高的光热温度，本研究对PANI/CB复合材料的生长条件做了优化.图2（A）为光热温度随反应时间增加的变化曲线图.结果表明，随着反应时间的增加，PANI/CB 棉线表面温度先升高后降低.当反应时间为140 min时，表面温度达到峰值65.3 ℃；超过140 min，样品表面的光热温度反而下降，这是由于过长的反应时间导致已形成的分子链氧化降解，副反应增加，最终影响太阳光吸收.图2 （B）为光热温度随CB添加量增加的变化曲线图.结果表明，随着CB添加量的增加，PANI/CB 棉线表面温度先升高后降低.当CB添加量为0125 g时，表面最高温度可达65.3 ℃；超过0.125 g时，温度下降明显，这是由于多余的CB不仅无法与PANI形成PANI/CB复合物，而且CB容易团聚，直接影响辐射吸收特性.因此，选择反应时间为140 min，CB添加量为0.125 g的实验条件制备PANI/CB棉线用于后续实验.

2.2光热性能分析

光热材料的光吸收能力是影响太阳能水蒸发速率和光热转换效率的关键因素，利用UV/VIS/NIR对织物的光学性能进行表征.图3（A）为负载PANI/CB材料前后织物在整个太阳光谱内的吸光情况.结果表明，与空白织物相比，PANI/CB织物的吸光率显著增强，织物整体温度高达102.2 ℃，在200～2 500波段内展现优异的光谱吸收性能，能够达到98.70%，有助于太阳光的充分吸收，提高水蒸发效率.这是由于PANI和CB材料本身出色的宽光谱吸收能力，以及棉线自带的间隙和孔道，提高了太阳能利用率，同时还与棉线负载复合材料后粗糙度增加有关，使得太阳光在织物内部进行多次反射，进一步提高光吸收比例.以上皆表明，PANI/CB 织物是一种十分优秀的光吸收材料，在光热转换方面具有极大的应用潜力.

此外，为进一步表征蒸发材料的光热转换性能，对PANI/CB材料同PANI与CB材料的光热性能差异进行深入探究.将分别负载3种材料的棉线置于模拟太阳光下（光照强度为1 kW/m2）持续照射5 min，利用红外热像仪实时监测样品表面温度变化，如图3（B）所示.结果表明，负载PANI后，棉线表面温度升高至61.5 ℃；负载CB后，棉线表面温度升高至59.4 ℃；负载PANI/CB后，棉线表面温度迅速升高达65.3 ℃.随着时间的延长，PANI 、CB 和PANI/CB棉线表面的温度均逐渐升高，但相比之下，PANI/CB 棉线表面温度上升更快更高.这表明，经PANI/CB 修饰的棉线展现更优异的光热性能，可以有效实现光能到热能的转换，同时也说明，CB的掺杂，可以有效提高复合材料的光热转换性能.

2.3水蒸发性能分析

为测试不同蒸发体系的光热水蒸发性能，构建了以桥式为核心的光热器件进行太阳能驱动的水蒸发实验.从图4可知，黑暗条件下纯水蒸发体系的水质量损失极小，可忽略不计，反映水的自然蒸发量.在一个模拟太阳光照下，PANI/CB织物蒸发体系的蒸发量远远多于相同条件下纯水和空白织物蒸发体系的蒸发量.一方面，是由于复合光热织物的毛细作用和亲水性，能将水连续输送至吸光层表面，使得PANI/CB织物表面始终保持润湿状态，加快水蒸发的进行；另一方面，相较于传统的整体加热，桥式蒸发器与待蒸发水之间隔有一层EPS，将蒸发面积集中在织物表面，减小散热面积，形成局部高温，进而有效减小热量损失，实现高效水蒸发.经1 h照射后，空白织物和PANI/CB织物的蒸发速率分别为0.74和2.21 kg/（m2·h ），相比于纯水的蒸发速率056 kg/（m2·h）显著提高，PANI/CB 织物的蒸发速率是空白织物的3倍.再根据蒸发效率公式计算出纯水、空白织物和PANI/CB织物的光热转换效率分别为29.60%、41.25%和92.24%，高于一般文献报道值［26］.因此，在其他条件保持一致的情况下，光热转换效率与蒸发速率呈正相关，蒸发速率越大，蒸发效率越高.以上表明，PANI/CB织物太阳能利用率高，光热转换性能更高，蒸发性能更好.

本研究进一步探究了在不同光照强度下织物的蒸发量，通过改变氙灯的电流大小及样品表面到光源间的距离来调控光照强度.图5为PANI/CB织物分别在光照强度为1、3和5 kW/m2下的水质量损失曲线图.结果表明，光照强度越高，PANI/CB织物蒸发体系的水质量损失越多.在光照强度为5 kW/m2时，蒸发量逐渐增至4.04 kg/m2.这是由于增强光学浓度，有助于织物表面吸收更多的太阳光，进而转换成更多的热量，加快水蒸发进程.依据水质量损失曲线图，计算出相应的蒸发速率分别为2.21、2.61和4.04 kg/（m2·h）.可以得出，在其他条件保持一致的情况下，蒸发速率与光照强度呈正相关，表明PANI/CB织物蒸发体系可以在高光照强度下保证高水蒸发效率.

PANI/CB织物的蒸发稳定性也是评估光热材料的一个重要指标，在实际应用中占据重要地位.图6（A）为蒸发器件10次循环下的蒸发速率变化图.结果表明，经过10次循环，每次持续光照1 h，PANI/CB织物蒸发器件的蒸发速率未出现明显下降，均始终保持在2.21 kg/（m2·h）左右，维持一个相对稳定的水平，可持久有效地驱动水蒸发.这表明，PANI/CB织物蒸发器件具备优异的稳定性和重复利用性.

同时，将光热织物运用到太阳能驱动的海水淡化领域是一种具有重要意义的实际应用，配制质量百分比为3.50%的氯化钠溶液作为模拟海水，并用于水蒸发测试，以评价光热织物的耐盐性能.图6 （B）为PANI/CB织物蒸发器件在模拟海水与纯水中的质量损失比对图.结果表明，在持续1 h的光照下，纯水的蒸发量略高于模拟海水的蒸发量，模拟海水的蒸发速率为1.88 kg/（m2·h），且在海水淡化进程中，织物蒸发器件表面并未有盐沉积现象出现，这与织物本身的多孔结构，以及PANI/CB织物蒸发器件良好的水运输能力有关，同时，该现象也说明，光吸收层在1 kW/m2的光照强度条件下盐离子扩散快于盐沉积，盐分会随着水分蒸发通过水循环扩散并留在水体底部，更进一步证明，PANI/CB织物蒸发器件拥有优异的耐盐性能，可用于长时间蒸发海水.

3结论

本研究采用原位聚合和传统飞梭编织工艺，设计一种基于PANI/CB织物的桥式太阳能驱动界面水蒸发装置.利用化学氧化聚合法将PANI/CB 原位负载在棉线上，并用织造装置编织出平纹PANI/CB织物，这种编织形式操作简单，便于尺寸化.PANI/CB 棉线在持续5 min的照射下，表面最高温度可达65.3 ℃，PANI/CB织物在整个太阳光谱内（200～2 500 nm）的吸光率达98.70%，这得益于织物的多孔且粗糙的表面结构.采用以桥式为核心的太阳能蒸发器可以优化水蒸发系统中的热管理，在织物表面形成局部高温，不仅增大蒸发面积，而且有效减小热量向水和空气等外界因素传递，实现双界面高效水蒸发.在1 kW/m2的光照下，PANI/CB织物蒸发器的蒸发速率为2.21 kg/（m2·h），光热转换效率为92.24%，且经过10次循环，蒸发器的蒸发速率未出现明显下降，展现优异的稳定性和可重复利用性.同时，在海水淡化（3.50%氯化钠溶液）的实际应用中，未出现盐沉积.PANI/CB织物呈现拱形，利用重力脱盐的优势，展现其优异的耐盐性能.PANI/CB 织物及蒸发结构具有低成本、易生产、高能效与稳定性好等特点，为持续海水淡化提供了新思路.

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（实习编辑：罗媛）