一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布及其制备和应用，以聚丙烯腈PAN纳米纤维为基体，硫化铜CuS纳米颗粒分布在聚丙烯腈PAN纳米纤维表面。制备：将含有铜盐的PAN纳米纤维布浸入硫源溶液中，进行硫化处理，烘干，即得。本发明专利技术将光热材料从溶液中延伸至固态纤维上，突破了光热材料使用的局限性，有望广泛地应用于新一代太阳能取暖设备以及新一代太阳能保暖服装等领域中。

【技术实现步骤摘要】
一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布及其制备和应用
本专利技术属于光热纳米材料及其制备和应用领域，特别涉及一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布及其制备和应用。
技术介绍
光热材料是一类能够直接将特定波段的光能转换为热能的新兴功能纳米材料。目前，光热材料主要被用作一种癌症治疗试剂，已得到广泛研究(Adv.Mater.2011,23,3542-3547；Adv.Mater.2013,25:2095-2100；Adv.Mater.2016,28:245-253.)。目前的光热材料主要有四大类:有机纳米材料、金属基纳米材料、碳基纳米材料、半导体纳米材料。其中，半导体光热纳米材料是一类新型光热材料，具有制备简单、价格低廉、易于功能化等优点。作为一种医用治疗试剂，光热材料常常需要被分散在水或生物质溶液中，这使得人们对于光热材料的研究和应用仅仅停留在光热纳米材料的溶液中，限制了其应用范围。光热材料能够将光能直接转化为热能，其产生的热量如果能在现实生活中直接用来取暖，这将对新一代太阳能取暖设备而言具有巨大的潜在价值。然而，在溶液中的光热材料所能达到的温度有限，升温速度并不快，所产生的热量受限于溶液中，在日常生活中使用不便，难以得到普及和广泛的应用。因此，为了拓展光热材料的应用范围，需要将光热材料与其他形式的基体材料相结合，比如制备光热转换布，这能够将材料的光热转换性质从溶液状态拓展到固体基体上，使得光热材料的使用范围大大增加，对于光热材料在日常生活中的使用和推广，具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布及其制备和应用，本专利技术合成方法简单，合成条件温和，价格低廉并且具有很宽光吸收范围，本专利技术通过将硫化铜纳米材料和通用聚合物纳米纤维相复合，制备出能够高效地将太阳光直接转换为热能的光热纳米纤维布，可用于室内取暖、军民两用户外露营设施、新型太阳能自产热保温服装等领域，节约冬季取暖所消耗的能源，提高环境舒适性，在新一代太阳能取暖设施中有较大应用前景。本专利技术的一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布，所述光热纳米纤维布以聚丙烯腈PAN纳米纤维为基体，硫化铜CuS纳米颗粒分布在聚丙烯腈PAN纳米纤维表面。本专利技术的一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布的制备方法，包括：(1)将聚丙烯腈PAN加入有机溶剂中，搅拌溶解，得到PAN溶液，然后加入铜盐，得到静电纺丝原液，然后进行静电纺丝，得到含有铜盐的PAN纳米纤维布；(2)将上述含有铜盐的PAN纳米纤维布浸入硫源溶液中，进行硫化处理，室温下冷却后取出烘干，得到聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布。所述步骤(1)中聚丙烯腈PAN的平均分子量为150000；有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺DMF。所述步骤(1)中PAN溶液中PAN的质量百分浓度为5～12％。所述步骤(1)中搅拌溶剂为60℃条件下，搅拌过夜溶解。所述步骤(1)中铜盐为硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、醋酸铜和乙酰丙酮铜Cu(C5H7O2)2中的一种或几种，静电纺丝原液中铜离子浓度为0.1～0.8mol/L。所述步骤(1)中静电纺丝工艺参数为：电压10～25kV，溶液推进速度20～200μL/min，纺丝温度10～50℃，环境相对湿度20～60％，接收距离为15～30cm，铝箔收集纳米纤维。所述步骤(1)中含有铜盐的PAN纳米纤维的平均直径为200～1000nm，厚度为40～1500μm。所述步骤(2)中硫源为硫化铵、硫化钠、硫脲、二硫化碳和单质硫中的一种或几种，铜源溶液的溶剂为水、乙醇、二硫化碳中的一种或几种，硫源溶液中硫元素的浓度为0.01～0.5mol/L。所述步骤(2)中硫化处理为：硫化温度为50～100℃，硫化时间为0.5～6h。本专利技术的一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布的应用，在太阳能保暖设备及太阳能保暖服装中的应用。本专利技术专利技术在较为温和的条件下使用两步法得到了PAN-CuS光热纳米纤维布，具有很宽的光吸收性能和高效的光热转换性能。相对于溶液状态下CuS产生的热能，光热纳米纤维布所产生的热可以直接用于日常取暖中，在新一代太阳能取暖设备与新一代太阳能保温服装中有巨大的应用价值。本专利技术使用两步法，先使用静电纺丝制备带有铜源前驱体的PAN纳米纤维无纺布，再进行原位硫化，得到PAN-CuS光热纳米纤维布。在本专利技术中，PAN纳米纤维作为基体提供光热材料的载体作用，CuS作为功能性物质提供良好的吸光性能和光热转换性能。本专利技术中的光热纳米纤维布具有很宽的光吸收范围(200～2000nm)以及高效的光热转换能力，能够吸收太阳光中大部分光能，并直接转换为热能，在氙灯照射下，其表面温度能够迅速升高并超过100℃。有益效果(1)本专利技术在温和的合成条件下，利用简单的合成方法制备了一种光热纳米纤维布，其价格低廉，具有很宽的吸光性能和高效的光热转换性能；(2)本专利技术首次将纳米CuS光热材料从溶液中拓展到纤维材料中，突破了溶液状态下光热材料的使用局限，使得光热材料所产生的热量能够直接用于冬季取暖，能够节约冬季取暖产生的能源消耗，在新一代太阳能取暖设备、新型太阳能保暖服装中拥有巨大的应用价值。附图说明图1为本专利技术实施例1中所制备PAN-Cu(C5H7O2)2纳米纤维布的低倍(a)、高倍(b)SEM图片；图2为本专利技术实施例1中所制备PAN-CuS光热纳米纤维布的(a)低倍、(b)高倍SEM图片，以及(c)低倍和(d)高分辨TEM照片；图3为本专利技术实施例1中所制备PAN-CuS光热纳米纤维布以及纯PAN纳米纤维布的XRD图谱；图4为本专利技术实施例1中所制备PAN-CuS、PAN-Cu(C5H7O2)2和纯PAN纳米纤维布的吸光光谱；图5为本专利技术实施例1中所制备PAN-CuS、PAN-Cu(C5H7O2)2和纯PAN纳米纤维布在平均光强2.1W/cm2下的升温图谱；图6为本专利技术实施例2中所制备PAN-CuS纳米纤维布的吸光光谱；图7为本专利技术实施例2中所制备PAN-CuS纳米纤维布在平均光强2.1W/cm2下的升温图谱。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1用分析天平称取2.1g聚丙烯腈，加入装有30ml有机溶剂DMF的圆底烧瓶中，放入加热套中，温度设置为60℃，磁力搅拌过夜溶解。第二天，在所得PAN溶液中加入0.2658g的Cu(C5H7O2)2，溶解均匀后静置去泡，得到不透明的蓝紫色纺丝原液。取10mL纺丝原液放入注射器中进行静电纺丝，设定纺丝温度为50℃，纺丝电压为16.91kV，推注速度为45μL/min，相对湿度为25％左右，使用铝箔进行收集纳米纤维，接收距离为20cm，得到含铜的PAN纳米纤维布，从图1中可以看出，这些纳米纤维的直径分布较为均匀，平均直径在300～350nm之间。称取0.5404g九水合硫化钠加入45mL去离子水中，配置成0.05mol/L的硫化钠溶液，取9×15cm的PAN-Cu(C5H7O2)2纳米纤维布，连同铝箔一同浸入所配得的硫化钠溶液中，之后将其放入80℃的烘箱中，设置时间为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布，其特征在于：所述光热纳米纤维布以聚丙烯腈PAN纳米纤维为基体，硫化铜CuS纳米颗粒分布在聚丙烯腈PAN纳米纤维表面。

【技术特征摘要】
1.一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布，其特征在于：所述光热纳米纤维布以聚丙烯腈PAN纳米纤维为基体，硫化铜CuS纳米颗粒分布在聚丙烯腈PAN纳米纤维表面。2.一种如权利要求1所述的聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布的制备方法，包括：(1)将聚丙烯腈PAN加入有机溶剂中，搅拌溶解，得到PAN溶液，然后加入铜盐，得到静电纺丝原液，然后进行静电纺丝，得到含有铜盐的PAN纳米纤维布；(2)将上述含有铜盐的PAN纳米纤维布浸入硫源溶液中，进行硫化处理，烘干，得到聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布。3.根据权利要求2所述的一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中聚丙烯腈PAN的平均分子量为150000；有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺DMF。4.根据权利要求2所述的一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中PAN溶液中PAN的质量百分浓度为5～12％。5.根据权利要求2所述的一种聚丙烯腈/硫化铜光热纳米纤维布的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中搅拌溶剂为60℃条件下，搅拌过夜溶解。6.根据权利要求2所述的一种聚丙烯腈/硫化铜光...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志钢，刘子潇，张瑞琦，张丽莎，章天涯，朱波，何书昂，包沪维，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31