Janus碳纳米管涂层织物的制备及其光热水蒸发性能研究

作     者：齐枫枫 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：印霞;马莹

授予年度：2022年

学科分类：0821[工学-纺织科学与工程] 08[工学] 082102[工学-纺织材料与纺织品设计] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：太阳能光热转化 碳纳米管 Janus织物 图案化疏水整理 海水淡化 

摘      要：在世界淡水资源短缺的背景下,人们利用丰富的海水资源来获取淡水。然而传统的海水淡化技术能耗高,设备复杂,不利于可持续发展,因此需要寻求新型简易的水净化技术,来减少不可再生能源的损耗,而太阳能海水淡化技术是目前新兴的、具有潜力的解决方案。该技术通过利用光热转化材料,将太阳能直接用于海水的蒸发产生淡水,具有效率高、清洁环保等优点。本文采用具有宽谱吸收性能的碳纳米管(CNTs)作为光热转化材料,通过自组装法在无纺棉布上构筑碳纳米管涂层,在氢键作用下形成稳定的光吸收层,利用图案化喷涂法对织物的单面进行疏水整理,制备出具有不对称润湿性的Janus碳纳米管涂层织物,提高了涂层织物的水分运输性能,实现高效的太阳能水蒸发,为探索卓越的光热水蒸发材料提供了新的方向。本文研究内容和研究方法主要包括以下四个方面:(1)在纤维的毛细诱导作用下,采用层层自组装技术成功制备了碳纳米管涂层织物,同时对织物的光谱吸收能力进行表征和分析,探究自组装层数对涂层织物光谱吸收性能的影响。实验结果发现,碳纳米管在纤维上呈取向排列,在250～2500nm宽光谱范围内,5层碳纳米管涂层织物的光吸收率高达94.5%,证明该织物具有优异的光谱吸收性能。(2)在界面水蒸发系统中,利用“皮芯式结构优化水蒸发时的热管理和水运输,减少织物表面在蒸发过程中的热量损失。在模拟光源下,测试不同自组装层数碳纳米管涂层织物的水蒸发速率,计算太阳能光热转化效率分析涂层织物的水蒸发性能。在一个太阳光强下(1 k W/m),5层碳纳米管涂层织物水蒸发速率为1.63kg·m·h,光热转化效率为83.3%。通过光功率计校准光照强度,探究不同光强对碳纳米管涂层织物水蒸发速率的影响,在2个太阳光强下,水蒸发速率上升到2.12kg·m·h。(3)设置5%、10%、20%、30%、40%的疏水化面积比例梯度,采用模板掩盖法,对碳纳米管涂层织物进行单面疏水化整理,制备出Janus光热转化织物。通过水接触角分析得知,疏水面接触角为127.2°,而反面依旧保持极强的亲水性。利用动态水分管理系统测试Janus光热转化织物的水分运输能力,研究不同疏水化面积比例对织物水分运输性能的影响。实验结果显示,最佳面积比例为10%,此时Janus织物的水蒸发速率和光热转化效率分别为1.78 kg·m·h和90.2%,太阳能水蒸发效果得到明显提高。(4)设计便携式海水淡化装置,测试Janus光热转化织物在模拟海水中的水蒸发性能,分析并评价其海水淡化效果。利用电导率仪测得水体的电导率从55.2m S/cm下降到52.3μS/cm,达到天然饮用水的电导率标准,证明了该Janus织物具有优异的太阳能海水淡化潜力。