一种超亲水3D打印三维多孔光热转换构件及其制备方法和应用

本发明属于海水淡化，具体涉及一种超亲水3d打印三维多孔光热转换构件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着全球变暖和淡水储量的日益减少，淡水资源将成为影响人们生产生活的重要因素。利用太阳能界面蒸发器进行海水淡化是获取淡水的有效方法。太阳能界面蒸发技术是利用可再生能源收集淡水的最为节能环保的技术之一。为了提高太阳能蒸发器的蒸发效率，使用高性能光热转换材料或者提高有效光照面积对提高光热转换效率具有重要作用。具有三维多孔结构的蒸发表面能够增加太阳光与光热材料的接触面积，有利于提高水蒸发效率。

2、3d打印技术在构建具有复杂形貌的三维几何形体方面展现出了极大的自由度。以熔融沉积成型技术（fused deposition modeling， fdm）为例，fdm技术是一种操作简单，打印设备成本低，技术普及率最高的一种3d打印技术。聚乳酸、热塑性聚氨酯等是fdm技术常用的打印耗材。其中聚乳酸是一种来自于生物质的生物可降解聚合物。由于聚乳酸的制备原料来自于可再生原料，产品使用后能够生物降解，3d打印过程中也不会释放有害物质，因此成为最广泛采用的fdm打印线材。但是与聚乳酸材料一样，大多数热塑性高分子聚合物的光热转换能力差、亲水性差，打印出来的三维产品难以实现水分的连续传输，所以不能直接用于光热转化构件的制备。

3、目前有研究利用聚乳酸掺混光热转换材料制备用于海水淡化的膜材料，如专利cn113023809a，制备出的光热转换膜材料机械性能有限，二维平面的膜材料也难以实现蒸发界面面积的改变，而且制备过程中使用的氯仿等溶剂会对环境造成新的负担。有关利用聚乳酸3d打印太阳能蒸发器的研究和专利还鲜有报道。

4、现有技术中的三维形状光热转换结构主要采用多个三维部件组合的形式，例如发明专利cn113979504a公开了一种基于松树形仿生结构设计的太阳能界面蒸发器由8个部分组成；cn113173616a公开了一种具有三维结构的光热转换材料，采用cvd方法在泡沫镍孔隙表面生长石墨烯，然后通过进一步附着氧化钼得到ni-g-moo3-x复合材料，采用该方法附着的石墨烯和氧化钼在循环使用中容易脱落，也没有说明材料的循环寿命，纳米粉体脱离会形成新的水质污染，该方法的规模化生产成本相对较高。

技术实现思路

1、针对现有技术中三维一体成型光热转换结构的局限性以及利用热塑性聚合物3d打印光热转换结构水分传输困难的问题，本发明提出了一种超亲水3d打印三维多孔光热转换构件及其制备方法和应用，该构件实现了水分的高效输送和快速蒸发。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种超亲水3d打印三维多孔光热转换构件，由界面蒸发结构和输水通道结构组成，界面蒸发结构位于输水通道结构上部，界面蒸发结构为圆锥台形，顶面呈凹球面形，输水通道结构为圆柱形，界面蒸发结构圆锥台形的底面截面直径小于顶面截面直径，并与输水通道结构的圆柱形直径相同；

4、所述的界面蒸发结构和输水通道结构具有相互贯通的三维孔隙；

5、所述的三维孔隙表面有超亲水涂层。

6、进一步地，所述的输水通道结构由聚合物材料3d打印而成，界面蒸发结构由具有光热转化性能的热塑性聚合物材料3d打印而成。

7、进一步地，所述的聚合物材料为pla复合线材；所述的具有光热转化性能的热塑性聚合物材料为添加有0.5-20%光热转化材料的pla复合线材。

8、进一步地，所述的界面蒸发结构的顶面凹球面形倾角为5°-30°。

9、进一步地，所述的界面蒸发结构高度为3-100mm，顶面截面直径为20-300mm，底面直径为10-280mm；所述的输水通道结构高度为5-100mm，直径10-280mm。

10、进一步地，所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件的打印填充率为30-70%。

11、本发明中，所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件的制备方法，包括以下步骤：

12、（1）采用3d打印技术打印出界面蒸发结构和输水通道结构，形成超亲水3d打印三维多孔光热转换构件模型；

13、（2）将超亲水3d打印三维多孔光热转换构件模型浸入由聚乙烯吡咯烷酮（pvp）、单宁酸和氯化铁组成的混合溶液中浸渍，在表面形成超亲水性涂层；

14、（3）浸渍处理结束后，用水充分清洗，然后放入超声波清洗机中处理2-4 h，干燥，获得超亲水3d打印三维多孔光热转换构件。

15、进一步地，所述的界面蒸发结构和输水通道结构采用3d打印技术打印成一个整体，或分别采用3d打印技术打印后组装在一起；所述的3d打印技术为熔丝制造技术、熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术、粘合剂喷射成形技术中的一种。

16、进一步地，步骤（1）所述的3d打印条件为打印温度190-210℃，热床温度55-65℃，打印速度10-60mm·s-1，打印层高0.1-0.3 mm，填充率30-70%；步骤（2）中所述的pvp和单宁酸的质量比为1：0.5-1.5，单宁酸与氯化铁的摩尔比为1：1-3，浸渍时间为10-60min。

17、本发明中，所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件在海水淡化处理中的应用，超亲水3d打印三维多孔光热转换构件采用漂浮系统或硬支撑系统使界面蒸发结构保持在水体表面之上，输水通道结构浸没在水中。

18、本发明采用3d打印技术制备的三维多孔光热转换构件实现了水分传输结构与光热转换界面结构的一体化设计与成型，三维多孔结构的孔隙率和孔隙分布可以自由调节，非常容易实现梯度多孔结构的设计与制造，实现了光热转换层光照有效面积的提高。三维多孔结构表面成功涂敷上了高度亲水性的pvp、单宁酸和铁离子复合膜，极大地提升了疏水性高分子聚合物基三维多孔结构的水分传输能力，有利于海水蒸发效率的提高。此外，3d打印技术在小型产品和分散制造方面更有优势，可以首先打印出一定尺度的小型光热转换结构，然后将小型光热转换结构阵列排布实现大型蒸发器的规模化。与现有技术相比，采用小型化产品的分散制造在产品制备、运输和质量控制等方面具有更大优势。

19、有益效果

20、本发明采用3d打印技术制备的三维多孔光热转换构件实现了水分传输结构与光热转换界面结构的一体化设计与成型，外观尺寸和内部结构可调控，制备工艺简单，内部相互贯通的三维孔隙能够实现水分的高效输送和快速蒸发，有利于海水蒸发效率的提高。

技术特征：

1.一种超亲水3d打印三维多孔光热转换构件，其特征在于，由界面蒸发结构（1）和输水通道结构（2）组成，界面蒸发结构（1）位于输水通道结构（2）上部，界面蒸发结构（1）为圆锥台形，顶面呈凹球面形，输水通道结构（2）为圆柱形；界面蒸发结构（1）圆锥台形的底面截面直径小于顶面截面直径，并与输水通道结构（2）的圆柱形直径相同；

2.根据权利要求1所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件，其特征在于，所述的输水通道结构（2）由聚合物材料3d打印而成，界面蒸发结构（1）由具有光热转化性能的热塑性聚合物材料3d打印而成。

3.根据权利要求2所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件，其特征在于，所述的聚合物材料为pla复合线材；所述的具有光热转化性能的热塑性聚合物材料为添加有0.5-20%光热转化材料的pla复合线材。

4.根据权利要求1所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件，其特征在于，所述的界面蒸发结构（1）的顶面凹球面形倾角为5-30°。

5.根据权利要求1所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件，其特征在于，所述的界面蒸发结构（1）高度为3-100mm，顶面截面直径为20-300 mm，底面直径为10-280mm；所述的输水通道结构高度为5-100 mm，直径10-280 mm。

6.根据权利要求1所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件，其特征在于，所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件的打印填充率为30-70%。

7.一种权利要求1~6任一项所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的界面蒸发结构（1）和输水通道结构（2）采用3d打印技术打印成一个整体，或分别采用3d打印技术打印后组装在一起；所述的3d打印技术为熔丝制造技术、熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术、粘合剂喷射成形技术中的一种。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1）所述的3d打印条件为打印温度190-210℃，热床温度55-65℃，打印速度10-60 mm·s-1，打印层高0.1-0.3 mm，填充率30-70%；步骤2）中所述的聚乙烯吡咯烷酮和单宁的质量比为1：0.5-1.5，单宁酸与氯化铁的摩尔比为1：1-5，浸渍时间为10-60min。

10.一种权利要求1~6任一项所述的超亲水3d打印三维多孔光热转换构件在海水淡化处理中的应用，其特征在于，超亲水3d打印三维多孔光热转换构件采用漂浮系统或硬支撑系统使界面蒸发结构（1）保持在水体表面之上，输水通道结构（2）浸没在水中。

技术总结
本发明公开了一种超亲水3D打印三维多孔光热转换构件及其制备方法和应用，属于海水淡化技术领域。三维多孔光热转换构件由界面蒸发结构和输水通道结构组成，界面蒸发结构位于输水通道结构上部，界面蒸发结构为圆锥台形，顶面呈凹球面形，输水通道结构为圆柱形，界面蒸发结构圆锥台形的底面截面直径小于顶面截面直径，并与输水通道结构的圆柱形直径相同，界面蒸发结构和输水通道结构具有相互贯通的三维孔隙，三维孔隙表面有超亲水涂层。采用3D打印技术制备的三维多孔光热转换构件实现了水分传输结构与光热转换结构的一体化设计与成型，外观尺寸和内部结构可调控，制备工艺简单，能够实现水分的高效输送和快速蒸发，提高海水蒸发效率。

技术研发人员：孔凡功,印青,王守娟,陶毓博,李鹏,张京发
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13