一种具有光热转换功能的大孔水凝胶制造技术

本发明专利技术涉及一种具有光热转换功能的大孔水凝胶，属于功能材料技术领域。本发明专利技术的具有光热转换功能的大孔水凝胶的制备方法，利用含硅氮键有机硅化合物在凝胶过程中可产生气体的特点，采用一锅法制备发泡水凝胶，操作简便，并且可通过调节含硅氮键有机硅化合物的用量调节水凝胶中泡孔的致密程度。光热转换材料被分散在泡孔壁中，阳光照射时热量沿光热转换材料进行传导，且在泡孔内反射，因此本发明专利技术制备的大孔水凝胶的光热转换效率较高，吸光度可达到100％。泡孔结构赋予了大孔水凝胶的高吸湿率以及高吸湿率，因此本发明专利技术制备的大孔水凝胶可以用于大气集水以及海水提纯等领域。可以用于大气集水以及海水提纯等领域。可以用于大气集水以及海水提纯等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种具有光热转换功能的大孔水凝胶


[0001]本专利技术涉及一种具有光热转换功能的大孔水凝胶，属于功能材料


技术介绍

[0002]水凝胶是一种亲水性但不溶于水的高分子聚合物。它们在水中可迅速溶胀至一平衡体积而仍能保持其形状和三维空间网络结构，并在一定的条件下脱水退溶胀，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。由于具有多孔结构，大孔水凝胶可通过毛细管作用减小水的渗透阻力，使水快速进入凝胶内部，另外，大孔水凝胶具有更大的比表面积，使得内部亲水基团可以迅速与水接触，从而促进吸水速率的增加。
[0003]水资源是人类社会发展的重要自然资源。地球上的水，尽管数量巨大，但能直接被人们生产和生活利用的却很少，约仅占地球总水量的0.26％。水资源的可持续利用是所有自然资源可持续开发利用中最重要的一个问题。集水材料是一种可吸附水分并能使水分快速脱落便于收集的材料。例如，具有光热转换功能的大孔水凝胶在吸附海水、污水或者空气中的水分后，在太阳光等光源的作用下，大孔水凝胶将吸收的光能转换为热量，而大孔水凝胶内部的水分受热后以气体形式释放，释放的气体与冷凝收集装置接触后，变为液态水，从而实现对水的转换和收集。因此，大孔水凝胶可以作为集水材料，用于海水淡化、污水净化和大气集水等领域。
[0004]目前具有光热转换功能的大孔水凝胶的制备方法主要有以下几种，一种为发泡法，主要借助表面活性剂或者乳清蛋白等，在搅拌下产生泡沫，同时引发单体聚合，生成发泡的水凝胶；另外一种为模板法，首先制备分散有可溶性粒子的水凝胶，然后浸泡在溶剂中除去粒子，生成宏观多孔的水凝胶；还有通过冷冻法以及发酵法制备大泡孔水凝胶的，但是这些制备方法具有工艺复杂，易产生废溶剂等缺点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种具有光热转换功能的大孔水凝胶，可以解决目前制备具有光热转换功能的大孔水凝胶时存在工艺复杂，易产生废溶剂的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的具有光热转换功能的大孔水凝胶所采用的技术方案为：
[0007]一种具有光热转换功能的大孔水凝胶，由包括以下步骤的方法制得：将有机硅化合物、水溶性聚合单体、光热转换材料、引发剂和水混合，水溶性聚合单体聚合交联的同时释放气体形成发泡体系，得到具有光热转换功能的大孔水凝胶；所述有机硅化合物具有式I所示的结构：
[0008][0009]式I中，R1、R2、R3、R
10
、R
11
和R
12
各自独立地选自C1‑
C5烷基；R4和R5各自独立地选自C3‑
C6亚烷基；R6、R7、R8和R9各自独立地选自甲基、乙基或丙基。
[0010]本专利技术的具有光热转换功能的大孔水凝胶，利用含硅氮键有机硅化合物在凝胶过程中可产生气体的特点，采用一锅法制备得到，操作简便，并且可通过调节含硅氮键有机硅化合物的用量调节水凝胶中泡孔的致密程度。由于有机硅化合物具有表面活性作用，可作为表面活性剂，有助于光热转换材料在体系中分散均匀，避免团聚，更好地发挥光热转换功能。另外，有机硅化合物中的硅氧烷可以水解缩合，进一步提高水凝胶的强度和韧性。由于光热转换材料和有机硅化合物之间的吸附作用、氢键作用等物理化学作用，光热转换材料被分散在泡孔壁中，阳光照射时热量沿光热转换材料进行传导，且在泡孔内反射，因此本专利技术制备的大孔水凝胶的光热转换效率较高，吸光度可达到100％。泡孔结构赋予了大孔水凝胶的高吸湿率和高吸水率，因此本专利技术制备的大孔水凝胶可以用于大气集水以及海水提纯等领域。当本专利技术制备的大孔水凝胶用于大气集水以及海水提纯等集水领域时，由于大孔水凝胶可以吸附较多水分，并且大孔水凝胶具有较高的光热转换效率，在阳光照射下，大孔水凝胶可以将光能转换为热量，使大孔水凝胶内部吸附的水分变为气体逸出，进而实现水分的转换和收集。另外，由于大孔水凝胶中的有机硅部分有一定的憎水性，可以使水份在受热作用下更易从凝胶中挥发出来，进而实现水分的转换和收集。
[0011]优选地，式I中，R1、R2、R3、R
10
、R
11
和R
12
均为甲基；R4和R5均为亚丙基；R6、R7、R8和R9均为甲基。
[0012]可以理解的是，现有技术中制备水凝胶所用的水溶性聚合单体均适用于本专利技术。例如，丙烯酸，N
‑
异丙基丙烯酰胺，N,N
‑
二甲基丙烯酰胺。
[0013]优选地，所述水溶性聚合单体包括第一水溶性聚合单体和第二水溶性聚合单体，所述第一水溶性聚合单体有且只有一个烯属不饱和双键，所述第二水溶性聚合单体具有至少一个以上的烯属不饱和双键。第一水溶性聚合单体用于形成制备的水凝胶的网络框架，第二水溶性聚合单体起到交联剂的作用。
[0014]优选地，所述第一水溶性聚合单体选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸、N
‑
异丙基丙烯酰胺、N,N
‑
二甲基丙烯酰胺中的一种或任意组合；所述第二水溶性聚合单体为N,N'
‑
亚甲基双丙烯酰胺。例如，所述第一水溶性聚合单体为丙烯酰胺和/或甲基丙烯酰胺。
[0015]优选地，所述水、第一水溶性聚合单体和第二水溶性聚合单体的质量比为20:5:(0.01～0.001)。例如，所述水、第一水溶性聚合单体和第二水溶性聚合单体的质量比为20:5:0.001。
[0016]优选地，所述引发剂为过硫酸盐引发剂。例如，所述过硫酸盐引发剂为过硫酸铵。过硫酸盐可以与有机硅化合物中的硅氮键在较低温度下发生氧化还原反应，产生自由基，
进而引发水溶性聚合单体发生聚合反应，在引发聚合反应的同时，有机硅化合物可以与聚合体系通过化学键连接，进一步提高水凝胶的强度和韧性。
[0017]优选地，所述水溶性聚合单体和过硫酸盐引发剂的质量比为5:(0.005～0.015)。例如，所述水溶性聚合单体和过硫酸盐引发剂的质量比为5:0.015。
[0018]优选地，所述水溶性聚合单体和有机硅化合物的质量比为5:(1～4)。有机硅化合物的用量过少，会造成难以在常温下引发聚合反应，有机硅化合物的用量过多，会造成水凝胶强度下降。
[0019]优选地，所述光热转换材料选自碳纳米管、氧化石墨烯、MXene、二硫化钼中的一种或任意组合。例如，所述光热转换材料为碳纳米管、氧化石墨烯或二硫化钼。MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料，化学式为M
n+1
AX
n
，其中(n＝1
‑
3)，M代表早期过渡金属，比如Sc、Ti、Zr、V、Nb、Cr或者Mo；A通常代表第三主族和第四主族化学元素；X代表C或N元素。
[0020]为了降低成本，优选地，所述光热转换材料为多壁碳纳米管。进一步优选地，所述多壁碳纳米管为羟基化多壁碳纳米管。羟基可以与水解后的硅氧烷发生缩合反应，进而提高光热转换材料(多壁碳纳米管)的分散均匀度以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有光热转换功能的大孔水凝胶，其特征在于，由包括以下步骤的方法制得：将有机硅化合物、水溶性聚合单体、光热转换材料、引发剂和水混合，水溶性聚合单体聚合交联的同时释放气体形成发泡体系，得到具有光热转换功能的大孔水凝胶；所述有机硅化合物具有式I所示的结构：式I中，R1、R2、R3、R
10
、R
11
和R
12
各自独立地选自C1‑
C5烷基；R4和R5各自独立地选自C3‑
C6亚烷基；R6、R7、R8和R9各自独立地选自甲基、乙基或丙基。2.如权利要求1所述的具有光热转换功能的大孔水凝胶，其特征在于，式I中，R1、R2、R3、R
10
、R
11
和R
12
均为甲基；R4和R5均为亚丙基；R6、R7、R8和R9均为甲基。3.如权利要求1所述的具有光热转换功能的大孔水凝胶，其特征在于，所述水溶性聚合单体和有机硅化合物的质量比为5:(1～4)。4.如权利要求1所述的具有光热转换功能的大孔水凝胶，其特征在于，所述光热转换材料选自碳纳米管、氧化石墨烯、MXene、二硫化钼中的一种或任意组合；所述水溶性聚合单体和光热转换材料的质量比为25:(0.03～0.1)。5.如权利要求1所述的具有光热转换功能的大孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩琳，张忠厚，陈荣源，潘其营，李雅婷，李子涵，莘子如，于刘珍，梁树军，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：