一种掺杂改性氧化石墨烯的聚偏氟乙烯光热膜及其制备方法与流程

本发明属于光热膜技术领域，具体涉及一种掺杂改性氧化石墨烯的聚偏氟乙烯光热膜及其制备方法。

背景技术：

清洁水资源短缺是一个迫在眉睫的全球性问题，研究人员受自然界水循环过程的启发，利用太阳光驱动水蒸发获得清洁淡水受到了人们的广泛关注，该技术有望作为一种应急手段，用于海难、野外求生、或欠发达地区等条件下。在自然蒸发条件下，太阳光的利用率较低，实际蒸发较慢。近年来，研究人员尝试将具有良好光吸收和光热转化能力的光热膜材料应用到太阳光驱动蒸发体系中，以提高蒸发效率。

水是一种极差的光吸收材料，很难在整个太阳吸收光谱中吸收光线。研究表明具有可控微结构的粗糙表面能够有效降低材料对光的漫反射率，实现太阳光全波段的有效吸收，有利于实现高效的水蒸发。然而，表面微结构的构筑方式较为复杂，往往需要特殊设备或手段辅助完成，增加了膜材料制备难度及成本。石墨烯是一种二维纳米材料，通常可以在多孔基底上过滤成膜，但是这样的石墨烯膜通常表现出弱的光线吸收，并且密集堆积的石墨烯片，水分子很难通过。为了克服这些问题，人们开发出了具有粗糙表面和多孔结构的石墨烯气凝胶，但是气凝胶通常因为其低的机械性能使其大规模应用受到局限。

静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即"泰勒锥")，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。静电纺纤维除直径小之外，还具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优点。聚偏氟乙烯(pvdf)是一种半结晶聚合物，具有良好的耐化学性和热稳定性，高机械强度和优异的耐老化性。单纯的氧化石墨烯(go)添加到pvdf中，由于氧化石墨烯在dmf、dmac、dmso、nmp、tep任一溶剂中分散性较差，并且随着氧化石墨烯的含量的增大，其在纺丝液中不能够均匀分散，进而导致在静电纺丝过程中出现堵塞针头或是不能够纺织成纤维；并且随着氧化石墨烯的加入会降低膜的机械性能。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种掺杂改性氧化石墨烯的聚偏氟乙烯光热膜及其制备方法，通过将氧化石墨烯改性使其接枝适量的偏氟乙烯，形成go-pvdf聚合物，这能够增加go在pvdf中的分散性，提高go在dmf(dmac、dmso、nmp、tep)任何一种中的溶解性，从而提高氧化石墨烯的含量，进而提高了光热膜的光热性能，并且也改善了光热膜的机械性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种掺杂改性氧化石墨烯的聚偏氟乙烯光热膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将改性氧化石墨烯接枝聚偏氟乙烯材料(go-pvdf)加入到有机溶剂中超声分散5-60min，然后在50-70℃下磁力搅拌6-24h；

(2)在上述分散液中加入pvdf，继续在50-70℃下磁力搅拌12-48h，得10-40wt％的纺丝液；

(3)采用静电纺丝法制备得到掺杂改性氧化石墨烯的偏氟乙烯光热膜。

优选的，所述步骤(1)中go-pvdf是按照公布号为cn108707236a的专利制备得到的。

优选的，所述步骤(1)中有机溶剂为dmf、dmac、dmso、nmp、tep中的任意一种。

优选的，所述步骤(1)中有机溶剂的用量为2-100ml，对于改性氧化石墨烯接枝聚偏氟乙烯材料和聚偏氟乙烯的总的质量为0.6-25g而言。

优选的，所述改性氧化石墨烯和聚偏氟乙烯的质量比为1:5-240。

优选的，所述步骤(3)的静电纺丝的条件是：高压15-18kv，纺丝距离10-15cm，纺丝速度0.09-0.45ml/h。

采用上述一种掺杂改性氧化石墨烯的聚偏氟乙烯光热膜的制备方法制备得到光热膜也属于本发明的保护范围。

采用上述一种掺杂改性氧化石墨烯的聚偏氟乙烯光热膜的制备方法制备得到光热膜在太阳光驱动蒸发体系中的应用也属于本发明的保护范围。

本发明的有益技术效果为：本发明成功制备了掺杂改性氧化石墨烯的偏氟乙烯光热膜，实现了光热膜高效率的光热转化，提高了膜的水蒸发速率和机械性能。本发明所制备得到的偏氟乙烯光热膜具有以下优点：(1)具有高的光热转化效率；(2)具有较好的机械性能；(3)具有优良的稳定性；(4)工艺简单，易于操作，原料来源广泛，成本低，已推广。

附图说明

图1为光热膜在一个太阳光照下其随时间变化的热红外图谱图；

图2为光热膜在一个太阳光照下膜中心温度和底部水面的温度随时间变化图；

图3为光热膜的光吸收图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种掺杂改性氧化石墨烯的聚偏氟乙烯光热膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将改性氧化石墨烯接枝聚偏氟乙烯材料(go-pvdf)加入到有机溶剂(dmf、dmac、dmso、nmp、tep中的任意一种)中超声分散5-60min，然后在50-70℃下磁力搅拌6-24h；

(2)在上述分散液中加入pvdf，继续在50-70℃下磁力搅拌12-48h，得10-40wt％的纺丝液；

(3)采用静电纺丝法制备得到c掺杂改性氧化石墨烯的偏氟乙烯光热膜(go-pvdf+pvdf膜)。

所述步骤(1)中go-pvdf是按照公布号为cn108707236a的专利制备得到的。所述步骤(1)中有机溶剂的用量为2-100ml。所述改性氧化石墨烯和聚偏氟乙烯的质量比为1:5-240。所述步骤(3)的静电纺丝的条件是：高压15-18kv，纺丝距离10-15cm，纺丝速度0.09-0.45ml/h。

对照例1：

将实施例1中的改性氧化石墨烯接枝聚偏氟乙烯材料(go-pvdf)变为氧化石墨烯(go)，其它步骤完全相同，得到b掺杂氧化石墨烯的偏氟乙烯光热膜(go+pvdf膜)。

对照例2：

将实施例1中的改性氧化石墨烯接枝聚偏氟乙烯材料(go-pvdf)变为聚偏氟乙烯(pvdf)，其它步骤完全相同，得到a纯pvdf膜。

将上述实施例1、对照例1与对照例2所得的膜进行偏氟乙烯光热膜太阳蒸发性能测试，具体测试方法为：

水被放置在一个直径为3cm的玻璃容器中，模拟太阳灯由疝气灯提供，光强保持在1kw·m^-2(一个太阳光)。薄膜样品漂浮在玻璃容器的水面上，模拟太阳光从顶部垂直照射到材料上，照射时间为1h，通过热红外成像仪观测膜表面温度的变化。通过称量玻璃容器照射前后水质量的变化，计算薄膜的水蒸发率。计算公式如下：

m代表水的蒸发量(kg)，s代表膜的面积(m2)，t代表模拟太阳光照时间(h),υ代表水蒸发速率(kg/(m2·h))。

所制备得到的偏氟乙烯光热膜水蒸发效率的测试结果如表1所示，在模拟一个太阳光照条件下，光照1h后，掺杂改性氧化石墨烯的聚偏氟乙烯光热膜具有最高的水蒸发速率。

表1光热膜的水蒸发率

将所制备得到的两种偏氟乙烯光热膜光热转化的测试结果如表1所示，从表1中可知：在模拟一个太阳光照下，单纯的偏氟乙烯膜没有任何的光热效应。掺杂了氧化石墨烯的偏氟乙烯膜虽然具有光热效应但是达到相同的温度时其需要较长的时间。譬如表面温度达到50℃时，掺杂氧化石墨烯的及偏氟乙烯膜至少需要180s左右，而我们所制作的聚偏氟乙烯光热膜则需要60s即可。

图1为本发明中光热膜在一个太阳光照下其随时间变化的热红外图谱图，可以看出随着光照时间的增加，其表面温度也不断增大，并且在短时间内就能达到较高的温度。

图2为本发明中光热膜在一个太阳光照下膜中心温度和底部水面的温度随时间变化图。所制备得到的偏氟乙烯光热膜具有热定位功能，一个太阳光照下，光热膜只对其相近的水面温度有改变，而不是加热整个水域。

图3为本发明中光热膜的光吸收图，从中可以看出光热膜在整个波长范围内都有较好的光吸收性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。