一种梯度凝胶、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种梯度凝胶、其制备方法及应用。所述梯度凝胶包括由连续的气相、液相和固相形成的三维多孔网络结构，所述三维多孔网络结构包含均匀分布的光热转化功能纳米颗粒，同时，所述三维多孔网络结构内还非均匀地分布有梯度诱导颗粒；并且，所述梯度凝胶的密度沿指定方向逐渐增大而疏水性沿指定方向梯度减小。所述制备方法包括：将梯度诱导颗粒、光热转化功能纳米颗粒与高分子凝胶前驱体溶液混合均匀，形成混合体系，之后加入交联剂和催化剂，经化学交联凝胶反应和冷冻造孔，获得梯度凝胶。所述梯度凝胶具有密度和疏水性梯度结构，同时具有独特的光热性能、低导热率及低密度等优点，可实现梯度凝胶的快速生产，用于太阳能海水淡化等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度凝胶、其制备方法及应用
本专利技术涉及一种凝胶材料及其制备方法和应用，具体涉及一种具有密度和疏水性梯度结构的梯度凝胶及其制备方法及应用，属于凝胶材料及有机无机复合材料

技术介绍
全球淡水资源短缺的问题日益突出，制约着国家发展，已受到国际社会的广泛关注。虽然海洋包含着世界上约97％的水，而淡水只占2.5％，能直接使用的淡水仅占0.3％。海水淡化可以有效利用海水资源，是解决淡水资源短缺的重要方法。目前，主要应用的海水淡化方法有：低温多效蒸馏(MSF)、多级闪蒸(MSF)、反渗透(RO)和电渗析(ED)等，这些方法都要消耗大量的常规能源，又加剧了能源紧缺，造成新的污染，而且成本高。太阳能是取之不尽用之不竭的新能源，其中光热利用是太阳能最广泛的利用方式，主要是利用太阳能收集装置将太阳能收集或直接转换为热能，然后加以利用。虽然太阳辐射的总能量只有22亿分之一到达大气层，但太阳每秒钟照射到地球的能量相当于500万吨煤。有效利用太阳能开发廉价的海水淡化技术对于缓解淡水危机具有广阔的应用前景。太阳能是最丰富的可再生能源和清洁能源，有效转换和开发太阳能对于满足不断增长的能量需求至关重要。由光热膜辅助的太阳能驱动的水蒸发因其在脱盐、杀菌、蒸馏水纯化的潜力巨大而受到关注，被认为是可持续和经济的纯水生产和废水处理战略之一。太阳能蒸汽发生技术的最大挑战是研究经济高效太阳能转换材料。大部分的太阳能-热转换吸收器的设计涉及昂贵的材料，如各种等离子体贵金属纳米结构金等离子体(ScienceAdvances2016；2:e1501227；ScientificReports2017；7:43803)受到制造成本的限制，且在腐蚀性介质如酸、碱和盐中十分不稳定，这限制了这些材料的长期使用。此外，太阳能-热转换吸收器还受到复杂的制造工艺的限制，比如冷冻干燥(ACSSustainableChemistry&Engineering2017,5,4665-4671；ACSNano2017,11,5087-5093)。最近的进展表明，理想的吸收体应具有几个重要的性质：成本低、具有宽带和高效的太阳能吸收，高效供水的亲水性和多孔网络作为蒸气通道。水凝胶是以水为分散介质的凝胶，通过交联而形成的一种高分子三维网络体系，是一类集吸水、保水、缓释于一体并且发展迅速的功能高分子材料，材质柔软，能溶胀而不溶解，具有良好的粘弹性与生物相容性。因其独特的吸水、保水及仿生特性，而被广泛用于医疗、医药载体、人工器官等。水凝胶的制备工艺相对简单且成本较低、机械性能优异，在光热膜辅助的太阳能驱动的水蒸发中具有巨大的潜力和优势。例如文献NatureNanotechknology201813,489–495首次将基于聚乙烯醇(PVA)的水凝胶用作独立的太阳能蒸汽发生器用于太阳能海水淡化，水的蒸发速率达到为3.2kgm-2h-1，具有极好的稳定性和耐久性，表明了凝胶的可扩展制造适用于未来的实际应用的潜力。然而，由于水凝胶亲水性好，其能否稳定地、长期地漂浮在水面，成为制约水凝胶能否实际应用的关键因素。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种梯度凝胶及其制备方法，以克服现有技术中的不足。本专利技术的又一目的在于提供前述梯度凝胶的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种梯度凝胶，其包括由连续的气相、液相和固相形成的三维多孔网络结构，所述三维多孔网络结构包含均匀分布的光热转化功能纳米颗粒，同时，所述三维多孔网络结构内还非均匀地分布有梯度诱导颗粒；并且，所述梯度凝胶的密度沿指定方向逐渐增大而疏水性沿指定方向梯度减小。进一步地，所述梯度凝胶的密度为0.5～0.9g/cm3。进一步地，所述梯度凝胶与水的接触角为50～130°。进一步地，所述梯度凝胶的可压缩率为60～90％，弹性模量为50KPa～1MPa。本专利技术实施例还提供了一种梯度凝胶的制备方法，其包括：将梯度诱导颗粒、光热转化功能纳米颗粒与高分子凝胶前驱体溶液混合均匀，形成分散均匀的混合体系；向所述混合体系中加入交联剂和催化剂，经化学交联凝胶反应和冷冻造孔后，获得梯度凝胶。进一步地，所述高分子凝胶前驱体包括聚乙烯醇、壳聚糖、琼脂糖、聚丙烯酸、聚乙二醇中的任意一种或两种以上的组合，或者，聚乙烯醇、壳聚糖、琼脂糖、聚丙烯酸、聚乙二醇中的任意一种或两种以上的组合的嵌段共聚物或衍生物。在一些实施例中，所述梯度诱导颗粒包括疏水白炭黑、疏水氧化硅、疏水高分子颗粒、疏水碳纳米颗粒、疏水金属氧化硅颗粒、疏水气凝胶颗粒中的任意一种或两种以上的组合。在一些实施例中，所述光热转化功能纳米颗粒包括实心微球和/或空心微球，优选为无机实心微球、无机空心微球、有机无机复合实心微球、有机无机复合孔空心微球中的任意一种或两种以上的组合，尤其优选为碳实心微球、碳空心微球、导电高分子实心微球、导电高分子空心微球、石墨烯实心微球、石墨烯空心微球、碳纳米管实心微球、碳纳米管空心微球、无机半导体实心微球、无机半导体空心微球中的任意一种或两种以上的组合。本专利技术实施例还提供了前述梯度凝胶于污水纯化、海水淡化、染料吸附、光热转换、油水分离或气体吸附等领域中的应用。例如，本专利技术实施例还提供了一种污水纯化或海水淡化方法，其包括：将所述的梯度凝胶置于污水或海水中，实现污水纯化或海水淡化。例如，本专利技术实施例还提供了一种染料吸附方法，其包括：将所述的梯度凝胶置于染料废水中，实现染料的吸附。例如，本专利技术实施例还提供了一种油水分离方法，其包括：将所述的梯度凝胶置于油水混合物中，实现油相和水相的分离。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：1)本专利技术提供的梯度凝胶具有密度和疏水性梯度结构，从上至下疏水性梯度减小，接触角为50～130°，密度梯度增大为0.5g/cm3～0.9g/cm3，梯度凝胶中光热转化功能纳米颗粒均匀分散，梯度诱导颗粒含量从上至下逐渐减少，同时具有优异的力学性能，独特的光热性能、低导热率及低密度等优点；2)本专利技术提供的梯度凝胶制备工艺简单，生产周期短，反应条件温和，节能环保，适于大规模生产，可以实现梯度凝胶的快速生产，成本低，可用于太阳能海水淡化等领域。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一典型实施例之中一种梯度凝胶的合成方法示意图。图2是本专利技术实施例1所获梯度凝胶的扫描电子显微镜图。图3a和图3b分别是本专利技术实施例1所获梯度凝胶的上下表面静态接触角图。图4是本专利技术实施例3所获梯度凝胶的压缩应力应变曲线图。图5是本专利技术实施例3所获梯度凝胶的流变学曲线图。图6是本专利技术实施例3所获梯度凝胶的TG曲线图。图7是本专利技术实施例1所获梯度凝胶的海水蒸发通量时间图。图8是本专利技术对照例1所获PVA凝胶的海水蒸发通量时间图。图9是本专利技术对照例2所获PVA凝胶的海水蒸发温度时间图。图10是本专利技术实施例3所获梯度凝胶的海水蒸发温度时间图。图11a和图11b分别是本专利技术实施例3所获梯度凝胶的海水蒸发红外图。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种梯度凝胶，其特征在于：所述梯度凝胶包括由连续的气相、液相和固相形成的三维多孔网络结构，所述三维多孔网络结构包含均匀分布的光热转化功能纳米颗粒，同时，所述三维多孔网络结构内还非均匀地分布有梯度诱导颗粒；并且，所述梯度凝胶的密度沿指定方向逐渐增大而疏水性沿指定方向梯度减小。

【技术特征摘要】
1.一种梯度凝胶，其特征在于：所述梯度凝胶包括由连续的气相、液相和固相形成的三维多孔网络结构，所述三维多孔网络结构包含均匀分布的光热转化功能纳米颗粒，同时，所述三维多孔网络结构内还非均匀地分布有梯度诱导颗粒；并且，所述梯度凝胶的密度沿指定方向逐渐增大而疏水性沿指定方向梯度减小。2.根据权利要求1所述的梯度凝胶，其特征在于：所述梯度凝胶的密度为0.5～0.9g/cm3；和/或，所述梯度凝胶与水的接触角为50～130°；和/或，所述梯度凝胶的可压缩率为60～90％，弹性模量为50KPa～1MPa；和/或，所述梯度凝胶的热导率为0.020～0.040W/mK；和/或，所述梯度凝胶具有光热转化功能；和/或，所述梯度凝胶内同时存在气-固界面、气-液界面及固-液界面；优选的，所述三维多孔网络结构所含孔的孔径为50nm～500μm；优选的，所述三维多孔网络结构的孔隙率为65％～99％；和/或，所述三维多孔网络结构的组成材料包括亲水性高分子，优选包括聚乙烯醇、壳聚糖、琼脂糖、聚丙烯酸、聚乙二醇中的任意一种或两种以上的组合，或者，聚乙烯醇、壳聚糖、琼脂糖、聚丙烯酸、聚乙二醇中的任意一种或两种以上的组合的嵌段共聚物或衍生物；和/或，所述梯度凝胶中梯度诱导颗粒的含量从上至下逐渐减少；优选的，所述梯度凝胶中梯度诱导颗粒的含量为1～20wt％，优选为1～15wt％，尤其优选为1～10wt％；优选的，所述梯度诱导颗粒的直径为10nm～50μm；优选为50～100nm或100nm～20μm，尤其优选为300nm～10μm；和/或，所述梯度诱导颗粒包括疏水白炭黑、疏水氧化硅、疏水高分子颗粒、疏水碳纳米颗粒、疏水金属氧化硅颗粒、疏水气凝胶颗粒中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述梯度凝胶中光热转化功能纳米颗粒的含量为1～50wt％，优选为1～40wt％，尤其优选为1～30wt％；优选的，所述光热转化功能纳米颗粒的粒径为50nm～100μm，优选为100nm～500nm，尤其优选为100nm～300nm；优选的，所述光热转化功能纳米颗粒所含孔洞的孔径为50nm～500nm；和/或，所述光热转化功能纳米颗粒包括实心微球和/或空心微球，优选为无机实心微球、无机空心微球、有机无机复合实心微球、有机无机复合孔空心微球中的任意一种或两种以上的组合，尤其优选为碳实心微球、碳空心微球、导电高分子实心微球、导电高分子空心微球、石墨烯实心微球、石墨烯空心微球、碳纳米管实心微球、碳纳米管空心微球、无机半导体实心微球、无机半导体空心微球中的任意一种或两种以上的组合。3.一种梯度凝胶的制备方法，其特征在于包括：将梯度诱导颗粒、光热转化功能纳米颗粒与高分子凝胶前驱体溶液混合均匀，形成分散均匀的混合体系；向所述混合体系中加入交联剂和催化剂，经化学交联凝胶反应并冷冻造孔后，获得梯度凝胶。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述高分子凝胶前驱体溶液包括高分子凝胶前驱体和水的混合物；优选的，所述高分子凝胶前驱体包括聚乙烯醇、壳聚糖、琼脂糖、聚丙烯酸、聚乙二醇中的任意一种或两种以上的组合，或者，聚乙烯醇、壳聚糖、琼脂糖、聚丙烯酸、聚乙二醇中的任意一种或两种以上的组合的嵌段共聚物或衍生物；优选的，所述水包括去离子水、超纯水、高纯水、蒸馏水中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述高分子凝胶前驱体溶液中亲水性高分子的浓度为0.05～0.2g/ml。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述梯度诱导颗粒与高分子凝胶前驱体的质量比为1～20：100，优选为1～15：100，尤其优选为1～10：100；和/或，所述梯度诱导颗粒包括疏水白炭黑、疏水氧化硅、疏水高分子颗粒、疏水碳纳米颗粒、疏水金属氧化硅颗粒、疏水气凝胶颗粒中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述梯度诱导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学同，谭梦遥，王锦，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32