一种柔性光热吸收材料及其制备方法和应用

1.本发明属于光热材料领域，涉及一种柔性光热吸收材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着现代工业化进程的不断加快，随之而来的是严重的水污染以及水资源短缺问题。迄今为止，淡水资源短缺仍是世界上最严重的资源问题之一，这已经威胁到人类的生产、生活乃至国家战略安全。地球表面97％的水资源集中在海洋，为了缓解水资源短缺问题，研究者们将目光投向了海洋。从海水中提纯淡水资源成为当前水资源开发的主线。近年来，利用太阳能驱动界面蒸汽产生(sisg)可对海水或微咸水进行蒸发，因其具有环保、高效、热损失小等众多优势被认为是解决淡水资源短缺的有效途径。能量输入相同的情况下，界面水的局部加热会使温度梯度变化更加明显，因而蒸发效果更好。其中，光热材料是保证高效海水淡化的关键所在，大多数用于界面蒸发系统的太阳能吸收体都是超黑材料。根据kirchhoff定律，这些超黑吸附剂在覆盖全太阳光谱和长波红外区域的宽范围波长上表现出高吸收，但吸收太阳能的同时作为黑体在红外区域通过热辐射散热，导致热损失增加，整个蒸发系统效率降低。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种柔性光热吸收材料及其制备方法和应用，本发明制得的柔性光热吸收材料具有优异的光谱选择吸收功能，实现了高吸收率和低热辐射的协同作用。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.本发明公开了一种柔性光热吸收材料的制备方法，包括以下步骤：1)将聚合物基底经清洗处理，得到洁净的聚合物基底；利用ar作为溅射气体，除去洁净的聚合物基底上的杂质；针对ag靶和zn靶，进行预溅射处理，得到清除靶材表面氧化层的ag靶和zn靶；2)在除去杂质的洁净的聚合物基底上，首先通过直流电源条件溅射ag靶，然后通过射频电源条件溅射zn靶，制得柔性光热吸收材料。
6.优选地，步骤1)中，聚合物基底为pf涤纶布。
7.优选地，步骤1)中，利用ar作为溅射气体，除去洁净的聚合物基底上的杂质，具体操作如下：
8.在真空度为1.8
×
10
‑3pa以下，通入ar作为溅射气体，在ar等离子气氛下轰击10
‑
20min；其中，偏压为450v，气压为5pa。
9.优选地，步骤1)中，针对ag靶和zn靶，进行预溅射处理，得到清除靶材表面氧化层的ag靶材和zn靶材，具体操作如下：在真空度为0.6pa条件下，溅射功率值为100
‑
150w，预溅射时间为10
‑
20min。
10.优选地，步骤2)中，通过直流电源条件溅射ag靶的操作参数包括：电流0.2a，溅射时间为10
‑
20min。
11.优选地，步骤2)中，通过射频电源条件溅射zn靶的操作参数包括：电流0.18a，溅射时间为0.5
‑
1h。
12.优选地，步骤2)中的溅射参数包括：在真空度为0.6pa条件下，溅射功率值为100
‑
150w，启动电源后ag靶和zn靶表面辉光放电。
13.优选地，步骤1)和步骤2)中，聚合物基底的温度为25℃，旋转速度固定9r/min。
14.本发明公开了采用上述制备方法制得的一种柔性光热吸收材料。
15.本发明公开了上述一种柔性光热吸收材料在海水淡化中的应用。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.本发明公开了一种柔性光热吸收材料的制备方法，采用ag靶、zn靶依次在聚合物基底上溅射，形成具有一定厚度的ag层和zn层。ag和zn在聚合物基底表面以纳米颗粒的形式紧密堆积，利用其小尺寸效应、纳米效应等保证了较高的吸光性能。而且，由于选材和制备技术的独特性和优越性，本发明具有优异的光热转化性能，制备的材料基于聚合物基底具有的超疏水性也可达到阻盐目的，保证了海水淡化过程中材料优异的稳定性和持久使用。因此，本发明采用工艺简单、原料成本低的制备方法，制得了一种具有优异的光谱选择吸收功能的柔性光热吸收材料，实现了光热材料兼具高吸收率和低热辐射的协同作用。
18.进一步地，利用磁控溅射法在柔性涤纶布(polyester fabrics)基底上沉积具有一定厚度的ag层和zn层，制备了具有ag/zn光谱选择性吸收涂层(ag/zn ssacs
‑
pf)的柔性光热吸收材料。为了提高光热转换效率，使用光谱选择性吸收涂层(solar selective absorbtion coatings，ssacs)作为光热吸收体，相比于黑体太阳能吸收材料的高吸收和高热发射特性，ssacs在可见光范围内表现为低反射(高吸收)并在红外波段表现为高反射(低热发射)，在保证高吸收率的同时，低的热发射率减少了水蒸发过程中热辐射传导损失，提高了能量转化效率，这对于实现高效的光热转化以及海水淡化具有重要意义。
19.本发明公开了采用上述制备方法制得的柔性光热吸收材料，该材料具有优异的光谱选择吸收功能，即在可见光区的高吸收和在红外区的低热发射，实现了高吸收率和低热辐射的协同作用。低的热辐射保证了在海水淡化过程中界面蒸发温度不会过高而引起能量损失，使得热辐射损失达到最小，这对于高效海水淡化具有重要意义。最为突出的是，本发明得到的光热材料在可见光谱范围吸收高达0.88，在红外波谱热发射低至0.34。因其这种独特的选择性吸收功能、低热辐射以及较高的蒸发效率，为太阳能驱动界面蒸发技术提供了一种全新的光热吸收材料。因此本发明所述一种柔性光热吸收材料能够应用于在海水淡化中。
附图说明
20.图1为本发明所述柔性光热吸收材料样品和pf样品分别置于3.5wt％盐水中，在1个光照强度下的质量变化曲线；
21.图2为本发明所述柔性光热吸收材料的sem图；其中，(a)为放大4000倍，(b)为放大6000倍；
22.图3为水滴在本发明所述柔性光热吸收材料正面的接触角测试图；
23.图4为本发明所述柔性光热吸收材料的反射率测试曲线；其中，(a)在可见光和近红外波段，(b)在远红外波段。
具体实施方式
24.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
25.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
26.现结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
27.一、ag/zn ssacs
‑
pf柔性光热吸收材料的制备：
28.1.清洗pf涤纶布基底
29.在频率为30
‑
50khz的数控超声波清洗器中，使用去离子水、丙酮、乙醇依次清洗pf涤纶布的聚合物基底20min、20min、10min，再放入烘箱干燥，干燥温度为40
‑
50℃，得到洁净的pf涤纶布。
30.2.磁控溅射镀膜得到ag/zn ssacs
‑
pf
31.本发明采用双室反应磁控溅射仪来制备样品，采用机械泵和分子泵对腔室进行抽真空，其真空度可达10
‑4pa，并且配套有相应的水循环系统、偏压等离子清洗系统、射频电源、直流电源、样品旋转台等。在溅射过程中，聚合物基底pf涤纶布被放置在上端的样品台上，聚合物基底pf涤纶布温度为25℃，旋转速度固定9r/min；溅射靶材为倾斜安装方式，倾斜安装是为了保证基底表面都能镀上；溅射腔室中可以通入ar。
32.本发明在射频电源条件下溅射ag靶，在直流电源条件下溅射zn靶。
33.首先，利用机械泵和分子泵将溅射腔室的真空度抽到高真空1.8
×
10
‑3pa以下，然后通入ar作为溅射气体，在ar等离子气氛下轰击10
‑
20min以除去涤纶布基片上的杂质，提高涂层和涤纶的结合力，其中偏压设定为450v，气压设定为5pa。
34.然后，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压低真空0.6pa，设定电源的溅射功率值为100
‑
150w。在此条件下，ag靶和zn靶两个靶材分别被预溅射10
‑
20min以清除靶材表面的氧化层，提高沉积物的纯度。
35.最后，打开挡板，ag靶材、zn靶材表面辉光放电，在电场作用下将溅射出的粒子沉积到基底表面上。具体为：在直流电源条件下溅射ag靶10～20min获得一定厚度的ag层后，在射频电源条件下溅射zn靶0.5～1h获得一定厚度的ag/zn复合涂层。ag靶材和zn靶材的溅射参数还包括真空室内的压力到溅射所需的气压高真空0.6pa，设定电源的溅射功率值为100
‑
150w，启动电源。
36.其中，直流电源条件包括：电流0.2a；射频电源条件包括：电流0.18a。
37.经过以上步骤，得到了ag/zn ssacs
‑
pf的柔性光热吸收材料。
38.二、太阳能蒸汽实验
39.使用3.5wt％的盐水模拟海水浓度，用氙灯(cel
‑
hxf300，am1.5滤波器)模拟太阳光源照射。蒸发过程质量变化采用精度为0.0001g的电子微量天平(ar224cn)进行测量，并通过spdc数据采集v2.01软件传输到个人计算机(pc)进行记录。构建太阳能蒸发实验平台，经过分析和计算可以得到在实验条件下盐水的蒸发效率以及碳泡沫的光热转换效率，进行光热性能研究。
40.在烧杯中倒入适量的3.5wt％的盐水，将ag/zn ssacs
‑
pf的柔性光热吸收材料放入盐水中，固定样品使之不沉没于盐水中。将所有器件整体放在精密电子天平上，实时在线监测由于水蒸发而带来的质量变化。在1个太阳下(1kw m
‑2)，进行太阳能蒸汽生成测试。
41.具体实施例
42.实施例1
43.ag/zn ssacs
‑
pf柔性光热吸收材料的制备：
44.清洗基底
45.在频率为30khz的数控超声波清洗器中，使用去离子水、丙酮、乙醇依次清洗涤纶布20min、20min、10min，再放入烘箱干燥，干燥温度为40℃。
46.磁控溅射镀膜得到柔性光热吸收材料ag/zn ssacs
‑
pf：
47.首先，利用机械泵和分子泵将溅射腔室的真空度抽到9.0
×
10
‑4pa，然后通入ar作为溅射气体，在ar等离子气氛下轰击20min以除去涤纶布基片上的杂质，提高涂层和涤纶的结合力，其中偏压设定为450v，气压设定为5pa。
48.然后，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压0.6pa，设定电源的溅射功率值为100w，在此条件下，ag靶、zn靶两个靶材分别被预溅射20min以清除靶材表面的氧化层，提高沉积物的纯度。
49.最后，打开挡板，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压高真空0.6pa，设定电源的溅射功率值为100w，启动电源后，在直流电源条件下溅射ag靶，电流0.2a下溅射20min获得一定厚度的ag层后，在射频电源条件下溅射zn靶，电流0.18a下溅射1h。
50.经上述制备方法制得组成为ag/zn ssacs
‑
pf的柔性光热吸收材料。
51.本实施例得到的柔性光热吸收材料在可见光谱范围吸收高达0.87。
52.实施例2
53.ag/zn ssacs
‑
pf柔性光热吸收材料的制备：
54.清洗基底
55.在频率为30khz的数控超声波清洗器中，使用去离子水、丙酮、乙醇依次清洗涤纶布20min、20min、10min，再放入烘箱干燥，干燥温度为40℃。
56.磁控溅射镀膜得到柔性光热吸收材料ag/zn ssacs
‑
pf：
57.首先，利用机械泵和分子泵将溅射腔室的真空度抽到9.0
×
10
‑4pa，然后通入ar作为溅射气体，在ar等离子气氛下轰击20min以除去涤纶布基片上的杂质，提高涂层和涤纶的结合力，其中偏压设定为450v，气压设定为5pa。
58.然后，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压0.6pa，设定电源的溅射功率值为125w，在此条件下，ag靶、zn靶两个靶材分别被预溅射20min以清除靶材表面的氧化层，提
高沉积物的纯度。
59.最后，打开挡板，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压高真空0.6pa，设定电源的溅射功率值为125w，启动电源后，在直流电源条件下溅射ag靶，电流0.2a下溅射20min获得一定厚度的ag层后，在射频电源条件下溅射zn靶，电流0.18a下溅射1h。
60.经上述制备方法制得组成为ag/zn ssacs
‑
pf的柔性光热吸收材料。
61.本实施例制得的柔性光热吸收材料经太阳能蒸汽实验后可知，其蒸发速率达到1.314kgm
‑2h
‑1，蒸发效率达到89.8％。本实施例得到的柔性光热吸收材料在可见光谱范围吸收高达0.88，在红外波谱热发射低至0.34。
62.实施例3
63.ag/zn ssacs
‑
pf光热材料的制备：
64.清洗基底
65.在频率为30khz的数控超声波清洗器中，使用去离子水、丙酮、乙醇依次清洗涤纶布20min、20min、10min，再放入烘箱干燥，干燥温度为40℃。
66.磁控溅射镀膜得到柔性光热吸收材料ag/zn ssacs
‑
pf：
67.首先，利用机械泵和分子泵将溅射腔室的真空度抽到9.0
×
10
‑4pa，然后通入ar作为溅射气体，在ar等离子气氛下轰击20min以除去涤纶布基片上的杂质，提高涂层和涤纶的结合力，其中偏压设定为450v，气压设定为5pa。
68.然后，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压0.6pa，设定电源的溅射功率值为150w，在此条件下，ag靶、zn靶两个靶材分别被预溅射20min以清除靶材表面的氧化层，提高沉积物的纯度。
69.最后打开挡板，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压高真空0.6pa，设定电源的溅射功率值为150w，启动电源后，在直流电源条件下溅射ag靶，电流0.2a下溅射20min获得一定厚度的ag层后，在射频电源条件下溅射zn靶，电流0.18a下溅射1h。
70.经上述制备方法制得组成为ag/zn ssacs
‑
pf的柔性光热吸收材料。
71.本实施例得到的柔性光热吸收材料在可见光谱范围吸收高达0.86。
72.实施例4
73.ag/zn ssacs
‑
pf柔性光热吸收材料的制备：
74.清洗基底
75.在频率为30khz的数控超声波清洗器中，使用去离子水、丙酮、乙醇依次清洗涤纶布20min、20min、10min，再放入烘箱干燥，干燥温度为40℃。
76.磁控溅射镀膜得到柔性光热吸收材料ag/zn ssacs
‑
pf：
77.首先，利用机械泵和分子泵将溅射腔室的真空度抽到10.0
×
10
‑4pa，然后通入ar作为溅射气体，在ar等离子气氛下轰击10min以除去涤纶布基片上的杂质，提高涂层和涤纶的结合力，其中偏压设定为450v，气压设定为5pa。
78.然后，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压0.6pa，设定电源的溅射功率值为110w，在此条件下，ag靶、zn靶两个靶材被预溅射10min以清除靶材表面的氧化层，提高沉积物的纯度。
79.最后打开挡板，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压高真空0.6pa，设定电源的溅射功率值为110w，启动电源后，在直流电源条件下溅射ag靶，电流0.2a下溅射10min
获得一定厚度的ag层后，在射频电源条件下溅射zn靶，电流0.18a下溅射40min。
80.经上述制备方法制得组成为ag/zn ssacs
‑
pf的柔性光热吸收材料。
81.本实施例得到的柔性光热吸收材料在可见光谱范围吸收高达0.88。
82.实施例5
83.ag/zn ssacs
‑
pf柔性光热吸收材料的制备：
84.清洗基底
85.在频率为30khz的数控超声波清洗器中，使用去离子水、丙酮、乙醇依次清洗涤纶布20min、20min、10min，再放入烘箱干燥，干燥温度为40℃。
86.磁控溅射镀膜得到柔性光热吸收材料ag/zn ssacs
‑
pf：
87.首先，利用机械泵和分子泵将溅射腔室的真空度抽到1.5
×
10
‑3pa，然后通入ar作为溅射气体，在ar等离子气氛下轰击13min以除去涤纶布基片上的杂质，提高涂层和涤纶的结合力，其中偏压设定为450v，气压设定为5pa。
88.然后，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压0.6pa，设定电源的溅射功率值为145w，在此条件下，ag靶、zn靶两个靶材被预溅射14min以清除靶材表面的氧化层，提高沉积物的纯度。
89.最后打开挡板，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压高真空0.6pa，设定电源的溅射功率值为145w，启动电源后，在直流电源条件下溅射ag靶，电流0.2a下溅射15min获得一定厚度的ag层后，在射频电源条件下溅射zn靶，电流0.18a下溅射0.5h。
90.经上述制备方法制得组成为ag/zn ssacs
‑
pf的柔性光热吸收材料。
91.本实施例得到的柔性光热吸收材料在可见光谱范围吸收高达0.86。
92.实施例6
93.ag/zn ssacs
‑
pf光热材料的制备：
94.清洗基底
95.在频率为30khz的数控超声波清洗器中，使用去离子水、丙酮、乙醇依次清洗涤纶布20min、20min、10min，再放入烘箱干燥，干燥温度为40℃。
96.磁控溅射镀膜得到柔性光热吸收材料ag/zn ssacs
‑
pf：
97.首先，利用机械泵和分子泵将溅射腔室的真空度抽到1.6
×
10
‑3pa，然后通入ar作为溅射气体，在ar等离子气氛下轰击17min以除去涤纶布基片上的杂质，提高涂层和涤纶的结合力，其中偏压设定为450v，气压设定为5pa。
98.然后，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压0.6pa，设定电源的溅射功率值为150w，在此条件下，ag靶、zn靶两个靶材被预溅射18min以清除靶材表面的氧化层，提高沉积物的纯度。
99.最后打开挡板，继续调节真空室内的压力到溅射所需的气压高真空0.6pa，设定电源的溅射功率值为150w，启动电源后，在直流电源条件下溅射ag靶，电流0.2a下溅射17min获得一定厚度的ag层后，在射频电源条件下溅射zn靶，电流0.18a下溅射50min。
100.经上述制备方法制得组成为ag/zn ssacs
‑
pf的柔性光热吸收材料。
101.本实施例得到的柔性光热吸收材料在可见光谱范围吸收高达0.85。
102.下面结合附图对本发明做进一步说明：
103.一、太阳能蒸汽实验
104.使用3.5wt％的盐水模拟海水浓度，用氙灯(cel
‑
hxf300，am1.5滤波器)模拟太阳光源照射。蒸发过程质量变化采用精度为0.0001g的电子微量天平(ar224cn)进行测量，并通过spdc数据采集v2.01软件传输到个人计算机(pc)进行记录。构建太阳能蒸发实验平台，经过分析和计算可以得到在实验条件下盐水的蒸发效率以及ag/zn ssacs
‑
pf的光热转换效率，进行光热性能研究。
105.在烧杯中倒入适量的3.5wt％的盐水，将ag/zn ssacs
‑
pf放入盐水中，固定样品使之不沉没于盐水中。将所有器件整体放在精密电子天平上，实时在线监测由于水蒸发而带来的质量变化。在1个太阳下(1kw m
‑2)，进行太阳能蒸汽生成测试。
106.ag/zn ssacs
‑
pf蒸发性能的测定是通过蒸发实验来定量分析。
107.蒸发实验是利用一个模拟太阳光照环境下的实验装置来完成的，所有的数据都是以质量差的方式通过电子天平读取然后传输到电脑上记录。通过蒸发实验发现，相比未进行镀膜操作的涤纶布，实施例2制得的柔性光热吸收材料ag/zn ssacs
‑
pf具有1.314kgm
‑2h
‑1的蒸发速率，而纯的pf在自然光照的蒸发速率很缓慢，实施例2制得的柔性光热吸收材料ag/zn ssacs
‑
pf的蒸发效率达到89.8％。所有的蒸发实验均在1个太阳光强度下进行(如图1所示)。
108.二、反射率测试
109.本发明制得的一种柔性光热吸收材料ag/zn ssacs
‑
pf，因其选材和制备技术的优越，具有优异的光热转化性能，同时其本身具有的超疏水性可达到阻盐目的，保证了海水淡化过程中材料优异的稳定性和持久使用。最为突出的是，本发明实施例2得到的柔性光热吸收材料在可见光谱范围吸收高达0.88，在红外波谱热发射低至0.34。因其这种独特的选择性吸收功能、低热辐射以及较高的蒸发效率，为太阳能驱动界面蒸发技术提供了一种全新的光热吸收材料(如图4所示)。
110.三、sem图测试
111.从sem图可以看出，实施例2制得的柔性光热吸收材料中，ag、zn在聚合物基底表面以纳米颗粒的形式紧密堆积，利用其小尺寸效应、纳米效应等保证了较高的吸光性能。同时，起到了纳米阻隔的疏水效果。(如图2所示)
112.四、接触角测试
113.本发明实施例2制得的一种柔性光热吸收材料表面接触角达到158
°
，其疏水性保证了优异的阻盐效果。(如图3所示)
114.具体地，在本发明的具体实施方式中，均可以制得具有优异的光谱选择吸收功能的柔性光热吸收材料，这是由于基于干涉原理，通过改变或控制涂层的反射率、透过率和吸收率达到选择性吸收的目的。而本发明制得的柔性光热吸收材料中涂层由多层薄膜系统组成，表层的光谱特性由分层结构界面上反射和投射之间的相互干涉所决定，太阳辐射在膜系内通过多次反射方式被吸收，长波则被反射。利用干涉效应使涂层对太阳光峰值附近波段强烈吸收，即具有高吸收率；在红外波段自由透过并借助ag层的高红外反射特性，以达到低发射的效果。因此能够实现高吸收率和低热辐射的协同作用。
115.综上所述，本发明提供一种具有光谱选择吸收功能的ag/zn ssacs
‑
pf的柔性光热吸收材料的制备方法及其在界面太阳能海水蒸发的应用，利用ag、zn靶依次在pf涤纶布上磁控溅射沉积一定厚度的ag层、zn层，获得了一种在可见光区高吸收、红外区低热发射的选
择性吸收光热材料，用于界面太阳能蒸汽产生，减少了热辐射传导损失，进一步地提高了蒸发效率和光热转换效率。同时，涤纶布固有的孔隙不仅利于蒸汽的溢出，还极大地提高了水运输能力，大大地增强了毛细作用力，可用于高效的蒸汽产生。相比于传统黑体吸收材料用于海水淡化，本发明创新性地提出了具有光谱选择性吸收功能的新材料，保证高吸收率同时，具有低发射率，有望为太阳能界面蒸汽产生系统中光吸收材料制备提供新的策略，实现高效海水淡化。
116.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。