用于太陽能水蒸發的非織造光熱轉化材料的制備及性能研究

朱雅琴，黃 晨

(東華大學，上海 201620)

近年來，太陽能以其儲量豐富，分布廣泛等特點在能源市場中脫穎而出[1]，通過光熱轉化技術利用太陽能進行水蒸發，為海水淡化、污水凈化等領域提供了新的解決方案[2]。目前太陽能水蒸發系統主要分為體積型和界面型兩種[3，4]。在體積型水蒸發系統中，研究者將光熱轉化顆粒均勻分散在液體中輔助蒸發，以解決因水比熱容大導致的升溫過慢的問題[5，6]。由于蒸發僅發生在氣液界面，因此在界面型水蒸發系統中，研究者所制備的太陽能光熱轉化材料直接可浮于水面[7]，將熱量集中在氣液界面進行局部加熱，進一步提升了能量利用率，成為了主要的研究方向[8]。

在界面型水蒸發系統中，太陽能光熱轉化材料的性能研究目前主要集中在4個方面：光能吸收[9]、熱能管理[10]、水分傳輸[11]以及水分蒸發[12]。在光熱轉化材料的選取上，碳材料以其π-π能級結構實現了較寬的吸光范圍和較高的吸光度[13，14]，成為近年來熱門的光熱材料。為實現集中的熱能管理，研究者逐步將蒸發區域和整體水區域分隔開來[15]，選用導熱系數低的原料制備基材，將熱量集中在氣液界面[16]。在水分傳輸與蒸發方面，研究者發現當具有多孔結構的光熱轉化材料[17]與水面直接接觸時，表層水在毛細作用力下通過材料中相互連通的水路可傳輸到材料表面進行蒸發，實現穩定的水分傳輸[18]。

為此，本文采用非織造梳理成網和針刺加固工藝，以皮芯結構的聚丙烯/聚乙烯(PP/PE)雙組份纖維為原料，高濃化纖親水三元硅油為親水劑，制備親水非織造材料作為基材，然后通過超聲分散法、噴涂法與高溫處理工藝將多壁碳納米管(MWCNTs)負載于非織造材料表面形成非織造光熱轉化材料，最后對所得材料進行結構和太陽能水蒸發應用性能測試與分析。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

試驗原料：PP/PE雙組份纖維(直徑：17.6 μm，皮芯結構，導熱系數：0.038 W·m-1·K-1)。

試驗試劑：多壁碳納米管(MWCNTs，長度：<30 μm，直徑：10 nm)，中科院成都有機化學有限公司；去離子水，東華大學化工學院提供；無水乙醇(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司；K-994高濃化纖親水三元硅油(廣東科峰新材料有限公司)；氯化鈉(NaCl)，國藥集團化學試劑有限公司。

儀器：FZS-600型非織造實驗室梳理機(常熟偉成非織造成套設備有限公司)；WFC-100型針刺機(常熟偉成非織造成套設備有限公司)；保溫式GZ-108B型熱風干燥機(東華大學紡織學院提供)；F-040S型超聲機(深圳福洋科技集團有限公司)；EM6200型掃描電子顯微鏡(北京中科科儀股份有限公司)；YG026MB型多功能電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司)；YG461E型全自動透氣性測定儀(溫州方圓儀器有限公司)；YG601H型透濕儀(溫州方圓儀器有限公司)；CFP-1100-AI多孔材料孔徑分析儀(美國PMI公司)；DSC4000差示掃描量熱儀(溫州方圓儀器有限公司)；紅外熱像儀(美國菲力爾系統公司)；Solar-500L模擬太陽能系統(北京紐比特科技有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1纖維親水整理

按照質量比1∶3的比例將一定量的高濃化纖親水三元硅油攪拌溶解在去離子水中，而后繼續加入去離子水將其稀釋至10倍質量。將PP/PE纖維浸入親水劑溶液中，反復攪拌，浸泡處理24 h。將親水整理后的纖維在鼓風烘箱中低溫(60 ℃)干燥，24 h后得到多親PP/PE雙組份纖維。

1.2.2非織造材料的制備

親水PP/PE纖維經過手動開松后，經喂棉羅拉喂入梳理機，在錫林、工作羅拉與轉移羅拉的三方作用下被分梳成單根纖維，由道夫輸出為蓬松纖網。然后，蓬松纖網通過針刺加固成為非織造材料。根據針刺工藝要求，擬定非織造材料克重為120 g·m-2。實驗用梳理機的幅寬為50 cm，卷筒一圈周長為2 m，纖維經過充分梳理后卷繞在卷繞棍上即可直接成型制得面積為1 m2的蓬松纖網。因此，設定纖維喂入量為120 g。

實驗用針刺機植針密度為3200枚/min，針刺深度為10 mm。打開針刺機，調節裝置參數，設定針刺頻率為600 rpm，纖網移動速度為1 m/min。將蓬松纖網喂入針刺機，刺針穿過纖網時，將纖網表面纖維刺入纖網內部，纖維在縱向和橫向上形成相互纏結，經過2道針刺成型制得具有一定強力的PP/PE雙組份非織造材料。

1.2.3光熱轉化材料的附著

稱取0.1 g MWCNTs，將其分散于99.9 g無水乙醇中,采用超聲分散法配制成0.1%濃度的分散液。超聲波設備功率為450 W，設定超聲時間為20 min。將分散液裝入噴瓶中，在空氣壓力的作用下，分散液被細化成小液滴附著到非織造材料的親水纖維表面。

皮芯結構的PP/PE雙組分纖維中皮層和芯層聚合物熔點有一定差異。將附著了MWCNTs的非織造材料在高于皮層聚合物熔點，但低于芯層聚合物熔點的140 ℃下處理5 min。

1.3 試驗表征

1.3.1材料微觀形貌觀察(SEM)

將樣品在真空條件下噴金后，采用EM6200型掃描電子顯微鏡對其微觀形貌進行觀察分析。

1.3.2碳納米管附著牢度表征

將噴涂了MWCNTs的非織造材料浸入去離子水中，并將其放在磁力攪拌器上，放入磁子，快速攪拌清洗，10 min后取出。記錄附著MWCNTs前后以及清洗后的非織造材料的質量，通過式(1)進行附著牢度的量化表征。

式(1)

式中：D為碳納米管的損耗率；m0為PP/PE非織造材料的初始重量，g；m1為附著MWCNTs后的PP/PE雙組分非織造材料的重量，g；m2為該材料進行10 min攪拌清洗烘干后的重量，g。

1.3.3材料孔徑測試

根據標準GB/T 2679.14，利用CFP-1100AI孔徑分析儀，采用泡點法進行孔徑測試。試樣被已知表面張力的潤濕劑完全浸潤后放入試樣室，氣體受到壓力先后通過試樣濕態和干態時的毛細孔，通過分析氣體經過試樣時的壓力和氣流的變化數據，計算得出試樣的孔徑結構以及分布情況，試樣尺寸為3 cm×3 cm。

1.3.4材料透氣性能測試

根據標準GB/T 5453-1997，采用YG461E型全自動透氣儀進行測試。測試過程中，壓降設置為200 Pa，試樣面積為30 cm2。試樣均測試10次后取平均值。

1.3.5材料透濕性能測試

根據美國材料試驗協會透濕量測試標準ASTM E96，采用YG601H透濕測試儀，在試驗環境溫度38 ℃、相對濕度50%、1 m/s風速的條件下對試樣進行正杯法透濕性能的測試，測試時間為1 h，試樣均測試3次后取平均值。

1.3.6材料拉伸力學性能測試

參照GB/T 24218.3-2010，采用YG026MB型多功能電子織物強力機對材料的拉伸性能進行測試，試樣尺寸為50 cm×100 cm，拉伸速度為100 mm/min。

1.3.7模擬太陽能水蒸發性能測試

配制濃度為3.5%的NaCl水溶液作為模擬海水盛在燒杯中，將非織造光熱轉化材料裁剪成圓形(R=2.4 cm)放置在模擬海水表面，然后將整個裝置放置在模擬太陽能光源輻射范圍內的電子天平上并實時記錄質量變化，外接紅外熱像儀與電腦連接實時檢測材料溫度。打開模擬太陽能光源設備，調節電壓獲得1個模擬太陽的光強，水蒸發實驗時長為8 h。實驗初期，記錄下液體的初始質量，此后每隔1分鐘記錄下天平的讀數，當液體減少的質量達到穩定時，以此為初始時刻，每隔0.5小時記錄一次天平的質量，分別記為m1和m2，則蒸發速率V可以通過式(2)計算得到[19]。

式(2)

式中：V為蒸發速率，kg·m-2·h-1；m1、m2分別為兩個時刻下液體的質量，kg；A為實驗樣品的表面積，m2；h為液體質量記錄時間間隔，h。

1.3.8室外水蒸發性能測試

將非織造光熱轉化材料裁剪成圓形(R=2.4 cm)放置在模擬海水上，整個裝置放置在天平上，每隔1小時記錄質量變化，實驗在東華大學紡織學院樓頂樓進行，當天溫度27 ℃，相對濕度60 %，從早上6點至晚上6點水蒸發實驗持續12個小時。

2 結果與討論

2.1 MWCNTs附著情況分析

圖1為非織造材料附著MWCNTs前后的掃描電鏡圖，從圖1(a)中可以看到PP/PE雙組份纖維的皮芯結構，PE為皮層，PP為芯層。非織造材料中纖維相互纏結形成孔徑結構，有利于水蒸發應用中蒸汽的逸散。圖1(b)中可以看到，MWCNTs為納米尺寸，具有較大的比表面積，可與纖維之間形成較強的范德華力，其均勻地附著在纖維表面，非織造材料表面呈現出深黑色。

圖1 (a)非織造材料和(b)MWCNT-非織造材料的SEM圖與實物圖 (c)MWCNT-非織造材料的水洗效果圖

如圖1(c)所示，附著了MWCNTs的非織造材料在攪拌清洗的過程中，幾乎未有MWCNTs掉落，水溶液顏色未有變化，展現出較好的附著牢度。此外，從圖中還可以發現，在反復的攪拌清洗后，由于PP/PE纖維密度小于水，非織造材料仍能浮于水面。

為了探究高溫處理工藝的效果，計算了有無高溫處理情況下的MWCNT-非織造材料的清洗損耗率。高溫處理后，PP/PE纖維的皮層PE發生熔融，纖維表面MWCNTs嵌入皮層，冷卻后固結在皮層中，實現“熱焊接”效應，有效提高了MWCNTs的附著牢度，從圖1(b)中可以直觀地看到高溫處理后纖維發生粘連，MWCNTs固結在皮層聚合物中。根據式(1)得到的計算結果也表明通過高溫處理工藝，MWCNTs的清洗損耗率從87.6 %降低至2.9 %，有效提升了MWCNTs的附著效果。

2.2 MWCNT-非織造材料的孔徑結構分析

圖2(a)為非織造材料附著MWCNTs前后的孔徑分布圖，從圖中可以發現附著MWCNTs前后，非織造材料的孔徑稍有下降，未發生明顯變化。纖維相互纏結形成平均孔徑為46 μm的多孔結構，在親水纖維的毛細作用力下，水分通過相互連通的三維水路傳輸到表層纖維中，可進行界面蒸發，產生穩定蒸汽。

圖2 附著MWCNTs前后非織造材料的(a)孔徑分布圖 (b)透氣與透濕性能

圖2(b)為非織造材料附著MWCNTs前后的透氣透濕性能變化，纖維表面均勻附著MWCNTs，非織造材料的孔徑結構未發生明顯變化，因此透氣和透濕性能也均保持穩定。MWCNT-非織造造材料展現出389 g·m-2·h-1和透濕量和2882 mm·s-1的透氣量，可以保證水蒸發過程中蒸汽的穩定逸散。

2.3 MWCNT-非織造材料的力學性能分析

圖3為非織造材料附著MWCNTs前后的強力-伸長率曲線，在拉伸斷裂的過程中，纖維受到外力作用首先在非織造材料中沿著外力方向定向排列，緊接著在外力作用下發生斷裂。附著MWCNTs前后非織造材料的拉伸強力和伸長率未發生明顯變化，說明MWCNTs在纖維表面均勻附著，未產生明顯團聚，因此未有應力集中現象。此外，MWCNT-非織造材料展現出176 N的高斷裂強力，具有較好的結構穩定性。

圖3 附著MWCNTs前后非織造材料的拉伸斷裂曲線

2.4 MWCNT-非織造材料在模擬太陽能下的水蒸發性能分析

從圖4(a)中可以看到MWCNT-非織造材料在干態和濕態下分別可以升溫至75 ℃與42 ℃，干態下MWCNTs附著在非織造材料的粗糙表面，具有較強的吸光度和光熱轉化能力，在水蒸發實驗中，大量轉化的熱量用于非織造材料中親水纖維的毛細作用力抽吸上來的界面水的蒸發，因此濕態下材料表面溫度下降至42 ℃。從圖4(b)中也可以發現，在水蒸發過程中，熱量集中在材料的表面，因此有效提高了界面處的水分蒸發能力。

從圖4(c)中可知2 h的模擬太陽能水蒸發實驗中，MWCNT-非織造材料作為一種界面型光熱轉化材料展現了較強的水分蒸發能力，同等條件下非織造材料和僅有模擬海水的對照組中，質量變化較小，說明MWCNTs附著在非織造材料上為該材料提供了較強的光熱轉化能力，而非織造材料的親水特性和多孔結構帶來的毛細作用又保證了水分的穩定傳輸，實現高效的界面水蒸發。從圖4(d)中可以發現，在1 h內MWCNT-非織造材料可以達到1.31 kg·m-2·h-1的蒸發速率，并在8 h的水蒸發實驗中基本保持穩定。

圖4 MWCNT-非織造材料模擬太陽能水蒸發實驗中(a)干態和濕態下的表面溫度變化 (b)濕態紅外熱像圖 (c)水蒸發質量變化 (d)蒸發速率

2.5 MWCNT-非織造材料室外水蒸發性能分析

從圖5中可以看到在室外水蒸發實驗中，MWCNT-非織造材料相對僅有模擬海水的對照組，蒸發速率有了顯著提升，在一天中，隨著太陽光強的變化，蒸發速率先升高再降低，并能夠持續穩定的進行水蒸發，在14時蒸發速率達到最高，為1.28 kg·m-2·h-1。全天室外模擬海水蒸發量可以達到9.36 kg·m-2·d-1。

圖5 MWCNT-非織造材料的室外水蒸發速率變化

2.6 MWCNT-非織造材料的光熱轉化效率

在界面型水蒸發材料的研究中，常用光熱轉化效率來評估材料的性能優劣，該參數可根據式(3)進行計算[20]。

式(3)

式中：光熱轉化效率η為水蒸發實驗中消耗的能量在輸入的總能量中的占比，%；m為蒸發速率, kg·m-2·h-1；hlv為水蒸發實驗總的蒸發焓(顯熱+潛熱), kJ·kg-1；Copt為模擬太陽光源光學濃度；P0為1個太陽下的太陽能量密度, 1kw·m-2。

根據式(3)計算MWCNT-非織造材料在1個模擬太陽和室外環境中的光熱轉化效率如圖6所示。在水蒸發實驗中，附著在纖維上的MWCNTs吸收光能轉化為熱能，模擬海水在非織造材料的親水作用下通過多孔三維通道傳輸到材料表面。表面親水纖維上的模擬海水吸收熱能發生相變，在氣液界面處蒸發。導熱系數較低的PP/PE雙組份非織造材料將蒸發區域和模擬海水區域分隔開來，因此在1個模擬太陽和室外環境下可以分別實現87.5 %和52.1 %的光熱轉化效率。

圖6 MWCNT-非織造材料在1個模擬太陽和室外自然光下的光熱轉化效率

3 結語

(1)通過選用皮芯結構的PP/PE雙組份纖維作為原料，并將附著了MWCNTs的非織造材料在高于皮層熔點溫度下處理5 min，可實現“熱焊接”效應，將MWCNTs固結在纖維皮層中，有效提高了附著牢度。

(2)附著MWCNTs前后，非織造材料力學性能、孔徑結構、透氣與透濕性能均不會發生顯著變化。PP/PE雙組份纖維密度低，通過非織造工藝形成多孔結構的非織造材料，可浮于水面并借助親水纖維的毛細作用力進行持續的水分傳輸，借助孔徑結構實現穩定的蒸汽逸散。

(3)MWCNT-非織造材料具有優異的光熱轉化能力和水蒸發性能，在1個模擬太陽下，材料表面溫度在干態和濕態下分別可以達到75 ℃和42 ℃，并在水蒸發實驗中實現1.31 kg·m-2·h-1的蒸發速率與87.5 %的光熱轉化效率。在室外自然光水蒸發過程中，也能在12 h內穩定蒸發，并實現9.36 kg·m-2·d-1的水蒸發量和52.1%的光熱轉化效率。