具有多孔结构的导热聚四氟乙烯薄膜及其制备方法与流程

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种具有多孔结构的导热聚四氟乙烯薄膜及其制备方法。

背景技术：

淡水短缺已成为当今最严重的全球性挑战之一，因此，如何高效地生产淡水成为亟待解决的问题，而利用太阳能生产淡水被认为是解决这一问题的一种经济办法。丰富的太阳能使太阳能淡化海水和废水处理成为最有前途的技术之一，同时也是研究的热点。而传统的太阳能净化水资源处理器并没有能够解决污垢的问题，其他关键的缺点包括需要加热整个体积的水，定期清洗积聚的污染物，以及收集足够的阳光所需的广阔土地面积。近年来，利用浮式结构实现了高效的太阳蒸发，不需要占用大量的土地，而且可以直接在水面上布置。为了达到高蒸发率，这些结构将热量的产生定位到水-空气界面，以避免加热整个大体积的水(如海洋)。但是，具有高效率的蒸汽生成的太阳能蒸汽装置往往需要复杂的制造工艺和高昂的材料成本，这限制了这些新技术的广泛应用。寻找经济有效的解决方案对大规模水处理具有重要意义。太阳能驱动的界面蒸发系统的发展主要围绕太阳能吸收体展开，目前，已经研究和开发了两类太阳能吸收材料，即碳基和等离子体吸收体。

由于碳基材料中原子核π电子紧密间隔的能级，使它们在整个太阳光谱中有着广泛吸收，受激电子弛豫到基态会释放热量的特点。碳基材料包括炭黑，cnt，石墨烯，go，rgo等，由于其广泛的光吸收，高稳定性，重量轻和低成本而具有广阔的应用前景，是最着名的光热材料。碳基材料不含有毒金属，在阳光下比等离子体具有更好的稳定性，并且可以容易地制成具有太阳热应用所需的宏观，微观和纳米级形态的各种结构。考虑到成本、可用性、稳定性和毒性，碳基光热材料是非常有利的选择，在太阳能蒸发和蒸馏应用中得到了比其他材料更广泛的探索。

制备多孔结构是提高许多碳材料光吸收的有效策略，其中石墨烯和rgo得到了广泛的探索。此外，碳材料具有很高的导热系数，这有利于减少水的导热损失。

石墨烯是天然的黑色材料，适用于宽带太阳吸收，同时还具有吸收率高、成本低、加工性能好等优点，是很有前途的吸收体，使得石墨烯在太阳能蒸发方面具有极高的应用价值。

文献“王永虎等，氧化石墨烯-聚四氟乙烯纳米复合材料及性能”阐述了将ptfe粉料浸泡在采用硅烷偶联剂kh550改性后的氧化石墨烯(kog)分散液中，搅拌分散后，将固体烘干、模压成型、烧结、切割打磨制得复合材料，但该方法首先使用的是粉料，而且需要将氧化石墨烯进行改性，制得的成品也需要经过复杂处理才能得到最终成品，最终产品的使用效果不好，且工艺复杂，不利于工业化生产。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供具有多孔结构的导热聚四氟乙烯薄膜及其制备方法，所述方法制备过程简单，制备周期短，成本低且适合大规模生产；制备得到的具有多孔蒸发结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料，浮动蒸发结构可与水界面一起移动，能连续工作，效率高。

本发明采取的技术方案是：

具有多孔结构的导热聚四氟乙烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：通过热压贴合将聚丙烯无纺布贴合到聚四氟乙烯膜上；

步骤2：采用氧气等离子处理步骤1中贴合了聚丙烯无纺布的聚四氟乙烯膜；

步骤3：将等离子处理后的聚四氟乙烯膜浸泡到无水乙醇中；

步骤4：将石墨烯分散液加入蒸馏水中，搅拌混合，并超声处理5～60min，制备成石墨烯浸泡液；

步骤5：将无水乙醇浸湿的聚四氟乙烯膜浸泡到制备好的石墨烯分散液中，浸泡时间为10～120min；

步骤6：将浸泡好的聚四氟乙烯膜取出，采用真空干燥或热风干燥或直接烘干的方式进行干燥。

进一步的，步骤2中，氧气等离子处理聚四氟乙烯膜的时间为5-300s。

进一步的，步骤3中，聚四氟乙烯膜在无水乙醇中的浸泡时间为10～240min。

进一步的，步骤4制备的石墨烯浸泡液的浓度为0.1～1wt％，石墨烯的直径为10～100nm。为了减少反射光的损失，光热材料通常被制成高孔隙率的纳米结构，从而使得光在孔隙内部产生多次反射，最终增加光的吸收。在本发明中，如果石墨烯浸泡液的浓度过大，则会在膜表面会形成一层致密的石墨烯，堵住聚四氟乙烯纤维间的空隙；而浓度过低时，导致石墨烯的光吸收减少，从而导致吸收的热量减少，影响导热和蒸发效率，因而，经过反复实验，确定了上述浓度范围。另外，对于石墨烯的直径，若大于聚四氟乙烯纤维空隙的直径(220nm)，则石墨烯只能存在于聚四氟乙烯表面，那么在复合材料中石墨烯的含量将会降低，太阳光以及热量的吸收也会减少，最终影响导热和蒸发效率；若远小于该数值，比如低于10nm，石墨烯会轻易的聚集在聚四氟乙烯纤维的空隙中，从而堵塞聚四氟乙烯的空隙。

进一步的，步骤4的石墨烯还能选用氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯微球。

进一步的，步骤6中的干燥温度为50～150℃。

进一步的，具有多孔蒸发结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料的结构为上表面疏水，下表面亲水，疏水的一面是覆盖一层石墨烯的聚四氟乙烯膜，亲水的一面是聚丙烯无纺布(由聚丙烯纤维制成，当其通过等离子处理后，与水的接触角变为57°，即表现为亲水性)

本发明的有益效果是：

采用所述方法制备得到的具有多孔蒸发结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料，浮动蒸发结构可与水界面一起移动，能连续高效率工作，多孔蒸发结构以毛细吸水效应向加热区供水，小孔径的多孔微结构和放大了毛细管向加热区供水的作用；石墨烯具有优良的光吸收率和光热转化；同时制备得到的聚四氟乙烯薄膜在上下表面具有不同的润湿性，亲水的底面可被水充分浸湿，加大毛细管泵送能力，使液体以高速率持续稳定地汽化，疏水的表面，具有自清洁能力，有助于聚四氟乙烯薄膜漂浮在水表面。所制备的具有多孔蒸发结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料能够实现高效率的污水净化，海水淡化等水的清洁。

另外，根据聚四氟乙烯膜空隙特点，通过优化石墨烯的浓度和直径，使得两者达到最佳匹配，进而达到高效率吸光的优点。

附图说明

图1是本发明具有多孔蒸发结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料的结构示意图，1、覆盖一层石墨烯的聚四氟乙烯膜，2、聚丙烯无纺布纤维层；

图2是实施例1制备的薄膜材料的扫描电子显微镜图，(a)10μm，(b)1μm；

图3是实施例1制备的薄膜材料在1kw强度下的太阳能水蒸发速率曲线图；

图4是实施例2制备的薄膜材料在1kw强度下的太阳能水蒸发速率曲线图；

图5是实施例3制备的薄膜材料在1kw强度下的太阳能水蒸发速率曲线图；

图6是实施例4制备的薄膜材料在1kw强度下的太阳能水蒸发速率曲线图；

图7是实施例5制备的薄膜材料在1kw强度下的太阳能水蒸发速率曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

具有多孔结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：通过热压贴合将聚丙烯无纺布贴合到聚四氟乙烯膜上；

步骤2：采用氧气等离子处理步骤1中贴合了聚丙烯无纺布的聚四氟乙烯膜，处理时间300s；

步骤3：将等离子处理后的聚四氟乙烯膜在无水乙醇中浸泡240min；

步骤4：将石墨烯分散液加入蒸馏水中，搅拌混合，并超声处理60min，制备成浓度为0.4％的石墨烯浸泡液，石墨烯的直径为10-100nm；

步骤5：将无水乙醇浸湿的聚四氟乙烯膜浸泡到制备好的石墨烯分散液中，浸泡时间为30min；

步骤6：将浸泡好的聚四氟乙烯膜取出，在100℃下真空干燥得成品。

实施例2

具有多孔结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：通过热压贴合将聚丙烯无纺布贴合到聚四氟乙烯膜上；

步骤2：采用氧气等离子处理步骤1中贴合了聚丙烯无纺布的聚四氟乙烯膜，处理时间300s；

步骤3：将等离子处理后的聚四氟乙烯膜在无水乙醇中浸泡120min；

步骤4：将石墨烯分散液加入蒸馏水中，搅拌混合，并超声处理30min，制备成浓度为0.6％的石墨烯浸泡液，石墨烯的直径为10-100nm；

步骤5：将无水乙醇浸湿的聚四氟乙烯膜浸泡到制备好的石墨烯分散液中，浸泡时间为10min；

步骤6：将浸泡好的聚四氟乙烯膜取出，在100℃下直接烘干。

实施例3

具有多孔结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：通过热压贴合将聚丙烯无纺布贴合到聚四氟乙烯膜上；

步骤2：采用氧气等离子处理步骤1中贴合了聚丙烯无纺布的聚四氟乙烯膜，处理时间300s；

步骤3：将等离子处理后的聚四氟乙烯膜在无水乙醇中浸泡100min；

步骤4：将石墨烯分散液加入蒸馏水中，搅拌混合，并超声处理30min，制备成浓度为0.1％的石墨烯浸泡液，石墨烯的直径为10-100nm；

步骤5：将无水乙醇浸湿的聚四氟乙烯膜浸泡到制备好的石墨烯分散液中，浸泡时间为60min；

步骤6：将浸泡好的聚四氟乙烯膜取出，在150℃下直接烘干。

实施例4

具有多孔结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：通过热压贴合将聚丙烯无纺布贴合到聚四氟乙烯膜上；

步骤2：采用氧气等离子处理步骤1中贴合了聚丙烯无纺布的聚四氟乙烯膜，处理时间200s；

步骤3：将等离子处理后的聚四氟乙烯膜在无水乙醇中浸泡50min；

步骤4：将石墨烯分散液加入蒸馏水中，搅拌混合，并超声处理10min，制备成浓度为1％的石墨烯浸泡液，石墨烯的直径为10-100nm；

步骤5：将无水乙醇浸湿的聚四氟乙烯膜浸泡到制备好的石墨烯分散液中，浸泡时间为90min；

步骤6：将浸泡好的聚四氟乙烯膜取出，在150℃下直接烘干。

实施例5

具有多孔结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：通过热压贴合将聚丙烯无纺布贴合到聚四氟乙烯膜上；

步骤2：采用氧气等离子处理步骤1中贴合了聚丙烯无纺布的聚四氟乙烯膜，处理时间200s；

步骤3：将等离子处理后的聚四氟乙烯膜在无水乙醇中浸泡50min；

步骤4：将石墨烯分散液加入蒸馏水中，搅拌混合，并超声处理10min，制备成浓度为1％的石墨烯浸泡液，石墨烯的直径为10-100nm；

步骤5：将无水乙醇浸湿的聚四氟乙烯膜浸泡到制备好的石墨烯分散液中，浸泡时间为120min；

步骤6：将浸泡好的聚四氟乙烯膜取出，在150℃下直接烘干。

其中，浸泡时间主要会影响石墨烯在聚四氟乙烯薄膜表面的附着均匀性以及附着力的好坏，从而影响蒸发效果。

将实施例1得到的具有多孔蒸发结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料(如图1所示)进行表面表征，从扫描电子显微镜图(如图2所示)可以看出，薄膜材料表面附上石墨烯，且薄膜的空隙中同样充填着石墨烯，说明石墨烯成功附着到聚四氟乙烯表面及纤维间隙中。

对实施例1～5制备的具有多孔蒸发结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料在强度为1kw的太阳能下进行太阳能水蒸汽产生的测试，测试例是给烧杯盛有水，在烧杯上覆盖本发明各实施例的薄膜材料，对比例是烧杯盛有水，但覆盖的是无多孔蒸发结构不导热的聚四氟乙烯薄膜材料，结果见图3～7。

发现在1kw强度下，装有多孔蒸发结构的导热聚四氟乙烯薄膜材料的烧杯，其太阳能热蒸发效果明显，这是由于制备得到的聚四氟乙烯薄膜在上下表面具有不同的润湿性，亲水的底面可被水充分浸湿，加大毛细管泵送能力，使液体以高速率持续稳定地汽化，疏水的表面，具有自清洁能力，有助于聚四氟乙烯薄膜漂浮在水表面，同时石墨烯具有优良的光吸收率和光热转化。