一种黑体纤维植绒材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种黑体纤维植绒材料及其制备方法和用途。本发明专利技术的黑体纤维植绒材料，包括从上到下依次设置的太阳能光热转换层、粘合剂层和底板层，所述太阳能光热转换层为具有微米阵列结构的黑体纤维，所述粘合剂层为隔水胶层，所述底板层为聚合物发泡板。本发明专利技术的制备工艺简单、效率高、成本低，制得的黑体纤维植绒材料具有极高的吸光率、轻量性、自隔热保护性的特点，适合大规模生产、环境耐久性好，应用于太阳能全驱动海水(或苦碱水)蒸馏淡化具有很高的实用价值，可有效解决一些地方的淡水缺乏问题，特别是一些用水量分散、能源紧张、基础设施薄弱的地区。

A black body fiber flocking material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种黑体纤维植绒材料及其制备方法和用途
本专利技术属于新功能材料
，涉及一种黑体纤维植绒材料及其制备方法和用途，具体涉及一种具有微米阵列结构的黑体纤维植绒材料及其制备方法和用途，尤其涉及一种具有高光热转换效率、自吸水功能、轻量可自漂浮在水面上、可高效利用太阳能蒸馏淡化海水的黑体纤维植绒材料及其制备方法和用途。
技术介绍
利用太阳能蒸馏淡化海水获取淡水资源，被认为是一种能有效解决当前全球淡水资源匮乏问题的有效手段之一。太阳能海水蒸馏淡化技术的优点是不消耗外能，不产生二次污染，运行费用低等。目前利用太阳能对海水进行蒸馏淡化的装置，都存在单位面积淡水产率过低的问题，即低的光热转换效率(普遍低于40％)，这大大降低了这些装置的实际应用价值。低淡水产率主要由两方面因素造成：1.装置中的太阳能水蒸发材料的太阳光吸收率低，进而导致吸收的太阳能量低；2.装置中待蒸发的海水热容量太大，限制了运行温度的提高，从而减弱了水蒸发的驱动力。为解决上述装置淡水产率低的问题，科学家们设计了多种为太阳能蒸馏器配备其他太阳能集热器的方案，这些混合装置虽淡水产率上有所提高，但在发展过程中也出现了一些待解决的问题，比如，不利于小型化，太阳能集热器与装置搭建投资费用高，容易与其他海水淡化设备同质化等问题。近年来，众多科学家将一些新材料与新技术广泛应用到太阳能海水蒸馏淡化体系中，使光热转换效率(即淡水产率)得到了显著的提高。陈刚等(H.Ghasemi,G.Ni,A.M.Marconnet,J.Loomis,S.Yerci,N.Miljkovic,G.Chen,Nat.Commun.,2014,5,4449)将剥离石墨片与碳泡沫复合成双层结构材料作为太阳能蒸馏淡化材料，因该材料具有轻量化特性，可自漂浮在水面上，该材料转换太阳能得到的热能被限域在空气-水的界面中，进而实现对材料表面上的水体进行局部加热，有效解决整体水体热容过大的问题；并且该材料对太阳光具有97％吸光率，在单太阳光条件下(1000W/m2)，光热转换效率可达到64％。同时，陈刚教授团队对剥离石墨片与碳泡沫的复合材料在太阳能蒸馏淡化过程中的能量使用方式进行了研究，建立了热传导模型和温度分布模型，这两种模型不但反映了太阳能蒸馏淡化过程中的热量传递过程，而且通过模型推导出整体能量使用与损失情况。上述对太阳能蒸馏淡化过程的机理研究，为进一步提高光热效率提供理论了基础，其中温度分布模型被广泛借鉴到之后的相关研究当中。朱嘉等(L.Zhou,Y.Tan,D.Ji,B.Zhu,P.Zhang,J.Xu,Q.Gan,Z.Yu,J.Zhu,Sci.Adv.,2016,2,e1501227)将纳米金粒子在阴极氧化铝纳米多孔材料表面上进行沉积，并通过对阴极氧化铝纳米多孔材料的结构控制使材料展现出超过99％的吸光率。在单太阳光条件下，该材料具有63％的光热转换效率。该研究对阴极氧化铝纳米多孔材料的结构是如何影响吸光率进行了详细的研究与分析，并且通过模拟模型推导出来的理论数据跟实验得到的实际数据有着很好的符合性，为进一步开发具有更高吸光率的材料提供了很好的理论基础。碳纳米材料，例如碳纳米管和石墨烯，因为具有极高的比表面积和高导热率，也被许多科学家研究用于太阳能海水蒸馏淡化材料当中。这其中包括王鹏等(Y.Wang,L.Zhang,P.Wang,ACSSustainableChem.Eng.,2016,4,1223)和朱嘉(X.Hu,W.Xu,L.Zhou,Y.Tan,Y.Wang,S.Zhu,J.Zhu,Adv.Mater.,2017,29，1604031)对碳纳米管的研究，Singamaneni等(Q.Jiang,L.Tian,K.K.Liu,S.Tadepalli,R.Raliya,P.Biswas,R.R.Naik,S.Singamaneni,Adv.Mater.,2016,28,9400)和胡良兵等(Y.Li,T.Gao,Z.Yang,C.Chen,W.Luo,J.Song,E.Hitz,C.Jia,Y.Zhou,B.Liu,B.Yang,L.Hu,Adv.Mater.,2017,29,1700981)对还原氧化石墨烯的研究，以及陈明伟等(Y.Ito,Y.Tanabe,J.Han,T.Fujita,K.Tanigaki,M.Chen,Adv.Mater.,2015,27,4302)和刘忠范等(H.Y.Ren,M.Tang,B.L.Guan,K.X.Wang,J.W.Yang,F.F.Wang,M.Z.Wang,J.Y.Shan,Z.L.Chen,D.Wei,H.L.Peng,Z.F.Liu,Adv.Mater.,2015,29,1702590)对石墨烯泡沫的研究等等。在单太阳光条件下，刘忠范等研发的分层石墨烯泡沫的光热转换效率可达到91.4％，是已有报道中最高的。另外，朱嘉等(N.Xu,X.Z.Hu,W.C.Xu,X.Q.Li,L.Zhou,S.N.Zhu,J.Zhu,Adv.Mater.,2017,29,1606762)和胡良兵等(M.W.Zhu,Y.J.Li,G.Chen,F.Jiang,Z.Yang,X.G.Luo,Y.B.Wang,S.D.Lacey,J.Q.Dai,C.W.Wang,C.Jia,J.Y.Wan,Y.G.Yao,AmyGong,B.Yang,Z.F.Yu,SiddharthaDas,L.B.Hu,Adv.Mater.,2017,29,1704107)利用一些具有微米结构的生物材料的自吸水特性，分别将蘑菇和树桩的表面进行碳化作为吸光层，也都表现出超过70％的光热转换效率。上述提及的研究成虽对太阳能海水蒸馏淡化材料的应用发展起到了很大的推动作用，但仍存在一些不足：(1)原材料和制备工艺成本高；(2)材料的吸光率仍有提高空间(吸光率普遍在90％上下)；(3)材料的制备与体系的隔热保护非一步法完成，增加制备工艺繁琐程度；(4)多数材料的制备方法不具备在现阶段大规模生产的基础；(5)一些材料不具备自吸水性能，需配备额外供水系统，无法实现真正太阳能全驱动海水蒸馏淡化；(6)整体装置在单位面积下的淡水产率不高(普遍低于1.3kg/m2·h)，不能满足实际应用。上述的这些不足，限制了现有材料的应用化前景。特别是考虑到我国现阶段国情，一些经济欠发达的淡水资源缺乏地区，因基础设施薄弱、能源短缺、用水量分散等原因，成本和便携性成为了首先需要考虑的问题。因此，专利技术一种可大规模制备、方便携带、廉价且高效的太阳能全驱动海水(或苦碱水)蒸馏淡化材料是对社会非常有益的。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种黑体纤维植绒材料及其制备方法和用途。本专利技术的黑体纤维植绒材料具有极高的吸光率、自吸水性、轻量性、自隔热保护性的特点，适合大规模生产、环境耐久性好。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的目的之一在于提供一种黑体纤维植绒材料，包括从上到下依次设置的太阳能光热转换层、粘合剂层和底板层，所述太阳能光热转换层为具有微米阵列结构的黑体纤维，所述粘合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种黑体纤维植绒材料，其特征在于，包括从上到下依次设置的太阳能光热转换层(1)、粘合剂层(2)和底板层(3)，所述太阳能光热转换层(1)为具有微米阵列结构的黑体纤维，所述粘合剂层(2)为隔水胶层，所述底板层(3)为聚合物发泡板。/n

【技术特征摘要】
1.一种黑体纤维植绒材料，其特征在于，包括从上到下依次设置的太阳能光热转换层(1)、粘合剂层(2)和底板层(3)，所述太阳能光热转换层(1)为具有微米阵列结构的黑体纤维，所述粘合剂层(2)为隔水胶层，所述底板层(3)为聚合物发泡板。


2.根据权利要求1所述的黑体纤维植绒材料，其特征在于，所述黑体纤维为黑色尼龙纤维、碳纤维、活性炭纤维和黑色聚合物纤维中的一种；
优选地，所述黑体纤维垂直于所述粘合剂层(2)和所述底板层(3)设置；
优选地，所述黑色尼龙纤维的长度为0.5～0.8mm，所述黑色尼龙纤维的面密度为100～200g/m2；
优选地，所述碳纤维的长度为0.1～1.0mm；所述碳纤维的面密度为100～200g/m2。


3.根据权利要求1或2所述的黑体纤维植绒材料，其特征在于，所述粘合剂层(2)的粘合剂为丙烯酸酯胶、环氧树脂胶和乳胶中的一种；
优选地，所述粘合剂层(2)的厚度为80～120μm。


4.根据权利要求1-3之一所述的黑体纤维植绒材料，其特征在于，所述聚合物发泡板为聚丙烯发泡板、聚苯乙烯发泡板和聚氨酯发泡板中的一种。


5.一种如权利要求1-4任一项所述的黑体纤维植绒材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
1)在底板的表面涂覆粘合剂；
2)将黑体纤维置于高压静电装置中植绒，通电后所述黑体纤维在高压电场作用下垂直飞向步骤1)涂覆了粘合剂一面的底板形成作为太阳能光热转换层的纤维阵列，得到从上到下依次为太阳能光热转换层(1)、粘合剂层(2)和底板层(3)的黑体纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：屠策，蔡文甫，张晖，张忠，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11