一种高导热及传输水的复合薄膜材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高导热及传输水的复合薄膜材料及其制备方法和应用，涉及材料工程技术领域，所述复合薄膜材料包含石墨烯和纤维素纳米纤维，通过将石墨烯和纤维素纳米纤维配置成混合溶液，然后超声分散、磁力搅拌均匀后抽滤并晾干成膜。本发明专利技术制备的复合薄膜材料具有丰富的亲水纳米孔道和紧密的石墨烯片层堆积，可以实现快速水传递和高热导率，可以快速的将光热转化所产生的热量传递给石墨烯层间的水纳米流体，从而加速水的蒸发。本发明专利技术的复合薄膜材料作为太阳能蒸发器应用时，在1倍太阳光的光强下，蒸发速率可以达到1.47kg m

【技术实现步骤摘要】
一种高导热及传输水的复合薄膜材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及材料工程
，尤其涉及一种高导热及传输水复合薄膜材料及其制备方法和应用。
技术介绍
针对太阳光的光热能量转换在自然界中普遍存在，太阳能水蒸发材料便是受启发于地球生物圈中的水循环，通过将高导热的纳米碳材料(石墨烯)以及亲水的纳米生物高分子(纳米纤维素纤维)组装制备成复合材料薄膜，用于提高太阳能驱动的水蒸发过程，从而实现在较低光强下高的水蒸发效率。由于此种材料在其蒸发过程中不需要额外能源或化学试剂，可为海水淡化以及污水处理提供廉价、环保的解决方案，为解决人类社会所面临的日益严重的淡水资源短缺以及废水污染等问题提供便利。目前针对太阳能水蒸发材料的研究，主要集中在纤维素材料碳化半导体纳米粒子组装，利用碳材料以及半导体材料的红外吸收度将太阳光能转化为热能，并且通过与亲水材料复合(如纤维素或吸水纸材料)将热能传递给水实现蒸发。但是由于传统材料必须保留一部分空腔来保证水蒸气的扩散以及液态水的传递，导致材料表层吸收太阳光所产生的热量被空腔内的空气阻隔无法向材料内部传递，限制了蒸发效率的提高，尤其在低太阳光强下(1倍太阳强/1kWm-2)蒸发效率大多低于1.47kgm-2h-1。所以迫切需要创新的材料设计思路来同时获得高的太阳光吸收率、水分子与热传导材料高效接触、表层光热在材料体系内的有效传递以及水分子快速传输通道。因此，本领域的技术人员致力于开发一种高导热及传输水的复合薄膜材料。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何开发一种高导热及传输水的复合薄膜材料，提高其作为太阳能水蒸发材料时的蒸发效率。为实现上述目的，本专利技术提供了一种高导热及传输水的复合薄膜材料，所述复合薄膜材料包含石墨烯和纤维素纳米纤维。所述的高导热及传输水的复合薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将所述石墨烯和所述纤维素纳米纤维配置成混合溶液；步骤2、再将所述混合溶液在超声清洗器中超声分散，接着用磁力搅拌器搅拌，重复所述超声分散和所述搅拌过程最后得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液；步骤3、将所述石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液抽滤成膜，晾干得到所述复合薄膜材料。进一步地，步骤1所述混合溶液中的所述石墨烯的质量百分比为50-90％。进一步地，步骤1所述混合溶液中的所述纤维素纳米纤维为直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维。进一步地，步骤2所述超声分散时间为2小时。进一步地，步骤2所述搅拌时间为10分钟。进一步地，步骤2所述重复次数为5次。进一步地，步骤3所述抽滤以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底。进一步地，步骤3所述晾干温度为室温。所述的高导热及传输水的复合薄膜材料在太阳能蒸发器中的应用。在本专利技术的技术效果如下：1)本专利技术制备的复合薄膜材料，具有紧密层状结构，利用石墨烯纳米片层的紧密堆积实现表层光生热快速向内传递，石墨烯片层间紧密堆积可以促进薄膜内高效传热量，在室温条件下获得了高的导热率，热导率在室温条件下可以达到614Wm-1k-1；同时由于纤维素本身具有5-15nm的直径,在石墨烯片层间形成支撑作用，形成纳米尺寸的亲水孔道，便于通过形成水分子水纳米流体，促进水分子的快速传递和受热蒸发。在光强为1倍太阳光(1KWm-2)条件下，水的蒸发效率最高可达1.47kgm-2h-1，在3倍太阳光光强下其蒸发速率为4.51kgm-2h-1，而蒸发效率均保持在95％，是一种极为优良的光热水蒸发材料。2)原材料是基于天然物种的商业化产品，价格低廉、复合材料操作简单、不涉及任何有毒有害的物质。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1a)是本专利技术的较佳实施例所用纤维素纳米纤维AFM图像；1b)是本专利技术的一个较佳实施例所用石墨烯SEM图像图2是本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料的1D/2D范德华异质结构示意图；图3是本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料的SEM截面图像；图4是本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料在200-2000nm下的光吸收率谱图；图5是本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料的热导率图；图6a)是本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料作为太阳能水蒸发器应用的俯视实物图；b)是本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料作为太阳能水蒸发器应用的侧视图；图7是本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料在1倍太阳光下，0-600秒内热成像图；图8a)是本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料在1倍太阳光强下蒸发效率图；b)本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料在3倍太阳光强下蒸发效率图；c)本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料在1-3倍太阳光光强下蒸发效率稳定性；d)本专利技术的较佳实施例的复合薄膜材料在3倍太阳光下水蒸气效果图。具体实施方式以下参考说明书附图介绍本专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。实施例1选择如图1a)所示的直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维以及如图1b)所示的片状二维石墨烯为起始原料，按照石墨烯/纤维素质量比例为90:10配制混合溶液，然后将配好的溶液放入超声清洗器中超声分散2小时，取出后再以力搅拌器搅拌10分钟，此过程重复五次得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液。所得分散液利用抽滤方式，以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底抽滤成膜，在室温下晾干得到复合薄膜材料并命名为CNF@RGO-90。实施例2选择如图1a)所示的直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维以及如图1b)所示的片状二维石墨烯为起始原料，按照石墨烯/纤维素质量比例为80:20配制混合溶液，然后将配好的溶液放入超声清洗器中超声分散2小时，取出后再以力搅拌器搅拌10分钟，此过程重复五次得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液。所得分散液利用抽滤方式，以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底抽滤成膜，在室温下晾干得到复合薄膜材料并命名为CNF@RGO-80。实施例3选择如图1a)所示的直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维以及如图1b)所示的片状二维石墨烯为起始原料，按照石墨烯/纤维素质量比例为70:30配制混合溶液，然后将配好的溶液放入超声清洗器中超声分散2小时，取出后再以力搅拌器搅拌10分钟，此过程重复五次得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液。所得分散液利用抽滤方式，以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底抽滤成膜，在室温下晾干得到复合薄膜材料并命名为CNF@RGO-70。实施例4选择如图1a)所示的直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维以及如图1b)所示的片状二维石墨烯为起始原料，按照石墨烯/纤维素质量比例为60:40配制混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高导热及传输水的复合薄膜材料，其特征在于，所述复合薄膜材料包含石墨烯和纤维素纳米纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种高导热及传输水的复合薄膜材料，其特征在于，所述复合薄膜材料包含石墨烯和纤维素纳米纤维。


2.一种如权利要求1所述的高导热及传输水的复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、将所述石墨烯和所述纤维素纳米纤维配置成混合溶液；
步骤2、将所述混合溶液在超声清洗器中超声分散，接着用磁力搅拌器搅拌，重复所述超声分散和所述搅拌过程最后得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液；
步骤3、将所述石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液抽滤成膜，晾干得到所述复合薄膜材料。


3.如权利要求2所述的高导热及传输水的复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤1所述混合溶液中的所述石墨烯的质量百分比为60-90％。


4.如权利要求2所述的高导热及传输水的复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤1所述混合溶液中的所述纤维素纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帆，魏巍巍，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31