一种光热吸湿聚合物凝胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种光热吸湿聚合物凝胶的制备方法，包括前驱液的制备、冰模板法制备凝胶样品以及吸湿性无机盐掺杂，冰模板法制备凝胶样品的步骤为：将前驱液注入模具中，密封进行预冻后，进行聚合。前驱液在预冻过程中形成大孔结构，低温聚合过程中聚合物骨架的形成使大孔结构得以保留，从而获得具有互联大孔结构的光热吸湿聚合物凝胶。本发明专利技术还公开了由上述制备方法制备得到的光热吸湿聚合物凝胶及其应用。本发明专利技术的光热吸湿聚合物凝胶具有优异的光热转化性能和吸湿/脱湿动力学性能，能够在宽温度范围、全湿度范围内实现快速的水分收集、脱附和再生，在空气制水、空间除湿、空间蒸发辐射制冷和电池湿气发电领域中有良好的应用前景。用前景。用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种光热吸湿聚合物凝胶及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及吸湿凝胶开发
，具体涉及一种光热吸湿聚合物凝胶及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]湿气是一种无处不在的自然现象，通过水蒸气的形式存在于大气中，约占全球水资源的10％。而湿气作为一种重要的资源，在人们的日常生产生活中发挥着重要的作用。对于偏远的内陆地区和干旱地区，利用湿气生产淡水资源能够有效解决当地水资源短缺的问题。同时，人们利用湿气还可以实现电池发电、空间制冷等方面的应用。但湿气含量过高也会造成一定的危害，如会导致金属腐蚀、加重空气污染程度、影响农作物的生长等，因此需要对湿气进行管理。
[0003]近年来开发了一系列吸湿材料来管理湿气，其中最广泛使用的是多孔基质，如硅胶、碳纳米球、金属有机框架(MOFs)等。授权公告号为CN 216849573 U的技术专利公开了一种免更换吸湿硅胶的变压器呼吸器，该呼吸器通过内置吸湿硅胶实现对湿气的富集并通过热风对吸湿硅胶进行烘干，但吸湿硅胶的容量小，吸湿速率较慢。
[0004]公开号为CN 112146216 A的专利技术专利申请公开了一种温湿度独立的空调系统及其控制方法，所述的温湿度独立的空调系统中通过金属有机框架(MOFs)的吸湿
‑
再生
‑
吸湿实现对湿度的有效调整，但金属有机框架吸湿能力较弱，成本高，制备工艺复杂，并且这些多孔基质与水分子之间的结合力较强，导致较慢的吸湿动力学和脱湿动力学，严重影响了多孔基质材料在空气制水方面的应用。
[0005]水凝胶复合材料具有制备简单、成本低、容量大、吸湿能力强等优点。水凝胶通过聚合物网络的快速膨胀促进对水分的吸附，并将吸附的水液化储存到凝胶网络中防止其泄露，在光照或加热的条件下将水分脱除，得到纯净水。
[0006]聚合物凝胶日制水量的多少取决于凝胶的吸湿动力学和脱湿动力学的速率，而聚合物凝胶吸湿动力学速率是由水分子在凝胶中的传质速率决定的，由于一般凝胶的孔径较小，导致传质困难，因此，吸湿聚合物凝胶通常具有较慢的吸湿动力学速率。此外，由于聚合物凝胶中吸湿盐的存在，吸湿盐与水分子之间具有强相互作用力，导致吸湿凝胶脱附过程严重受到吸湿盐高解吸热的影响，导致吸湿聚合物凝胶的具有较慢的脱湿动力学速率。
[0007]公开号为CN 111032208 A的专利技术专利申请公开了一种吸湿性水凝胶，所述水凝胶能够显著降低水的解吸热，加快凝胶脱湿，但该凝胶吸湿能力和吸湿速率较差，难以实现快速制水。
[0008]公开号为CN 113385152 A的专利技术专利申请公开了一种凝胶干燥剂颗粒及其制备方法。所述凝胶干燥剂具有价格低廉、高再生性的特点，但该凝胶干燥剂吸湿能力较差且制备过程复杂，日产水量低。
[0009]公开号为CN 114940799 A的专利技术专利申请公开了一种用于环境水收集的核壳结构PAA
‑
PNIPAAm水凝胶材料制备方法，所述水凝胶具有优异的吸湿性和脱湿性，但该凝胶吸
湿速率和脱湿速率较差，难以实现快速制水，且制备过程复杂难以大规模生产。
[0010]鉴于上述现有技术，如何同时提高吸湿聚合物凝胶的吸湿/脱湿动力学速率是提高空气制水日产水量的关键因素。因此，寻找一种技术方案来制备具有高的吸湿/脱湿动力学速率的聚合物凝胶以实现湿气的有效利用，对解决部分地区水资源的短缺以及湿气含量过高造成的危害具有重要的意义。

技术实现思路

[0011]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种光热吸湿聚合物凝胶的制备方法，包括前驱液的制备、冰模板法制备凝胶样品以及吸湿性无机盐掺杂，本专利技术方法制备得到的光热吸湿聚合物凝胶具有互联大孔结构，制备工艺简单，原材料来源广，成本低，制备过程中无需昂贵的制备仪器，具有较好的规模化制备应用前景。
[0012]一种光热吸湿聚合物凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0013](1)将引发剂、交联剂溶于聚合物单体溶液中，再加入具有光热转换性能的材料，搅拌均匀，随后加入四甲基乙二胺，得到前驱液；
[0014](2)采用冰模板法制备凝胶样品，所述冰模板法制备凝胶样品的步骤为：将前驱液注入模具中，密封进行预冻后，进行聚合；
[0015](3)将步骤(2)中得到的凝胶样品浸泡在去离子水中，除去未反应的单体和交联剂，烘干；
[0016](4)将步骤(3)中得到的产物浸泡在吸湿性无机盐溶液中进行掺杂，烘干，得到光热吸湿聚合物凝胶。
[0017]本专利技术利用冰模板的方法制备光热吸湿聚合物凝胶，通过预冻过程中冰晶的生长，占据溶液体系中的位置，形成大孔结构，将预冻后的样品在低温下进行聚合，在聚合的过程中大孔结构被保留下来，从而获得具有互联大孔结构的聚合物凝胶。由于大孔结构的存在显著加快了水分子的传质，使得所制备的聚合物凝胶具有优异的吸湿动力学性能。此外，由于聚合物凝胶中自由水和中间水含量较高，其在全波段范围内都具有强的光谱吸收率，使得所制备得到的聚合物凝胶具有优异的脱湿动力学性能，能在全湿度范围内实现快速的水分收集、脱附和再生。
[0018]优选地，步骤(1)中，所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的一种，或者为硫代硫酸钠和过硫酸钾、亚硫酸氢钠和过硫酸铵、亚硫酸氢钾和过硫酸铵、亚硫酸钠和过硫酸钾、亚硫酸铵和过硫酸钾中的一种。
[0019]优选地，步骤(1)中，所述的前驱液中引发剂的含量为0.08～0.74wt％。
[0020]由于过硫酸铵成本低，反应条件温和，能在低温下引发聚合反应，更优选地，所述的引发剂为过硫酸铵。
[0021]优选地，所述的前驱液中过硫酸铵的含量为0.12～0.49wt％。
[0022]优选地，步骤(1)中，所述的交联剂为N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯、二异氰酸酯或三烯丙基异三聚氰酸酯中的一种。
[0023]优选地，步骤(1)中，所述的前驱液中交联剂的含量为0.03～0.42wt％。
[0024]由于N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺成本低，在水溶液中易于分散，更优选地，所述的交联剂为N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺。
[0025]优选地，所述的前驱液中N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺的含量为0.05～0.35wt％。
[0026]优选地，步骤(1)中，所述的聚合物单体为[2
‑
(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基
‑
(3
‑
磺酸丙基)氢氧化铵、丙烯酸钠及其衍生物、丙烯酰胺、N
‑
异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的任意一种或两种以上的组合。
[0027]优选地，所述的前驱液中聚合物单体的含量为4.3～48.7wt％。
[0028]由于[2
‑
(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基
‑
(3
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光热吸湿聚合物凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将引发剂、交联剂溶于聚合物单体溶液中，再加入具有光热转换性能的材料，搅拌均匀，随后加入四甲基乙二胺，得到前驱液；(2)采用冰模板法制备凝胶样品，所述冰模板法制备凝胶样品的步骤为：将前驱液注入模具中，密封进行预冻后，进行聚合；(3)将步骤(2)中得到的凝胶样品浸泡在去离子水中，除去未反应的单体和交联剂，烘干；(4)将步骤(3)中得到的产物浸泡在吸湿性无机盐溶液中进行掺杂，烘干，得到光热吸湿聚合物凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的引发剂为过硫酸铵，所述的交联剂为N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺，所述的聚合物单体为[2
‑
(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基
‑
(3
‑
磺酸丙基)氢氧化铵，所述的具有光热转换性能的材料为氧化石墨烯，所述的前驱液中过硫酸铵的含量为0.12～0.49wt％，N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺的含量为0.05～0.35wt％，[2
‑
(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基
‑
(3
‑
磺酸丙基)氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，孙嘉骏，倪锋，谷金翠，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：