一种可压缩形状记忆Janus三维蒸发器及其制备方法与应用

本发明属于太阳能界面蒸发与海水淡化，具体涉及一种可压缩形状记忆janus三维蒸发器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、太阳能驱动的界面光热蒸发因能够将太阳能到热能的转换定位于气液界面，减少对主体水体的热耗散，从而成为一种可持续、低能耗的清洁水生产技术。传统二维平面蒸发器结构简单，但其蒸发界面受投影受光面积限制，在无额外环境能量输入时蒸发性能存在一定上限。为突破上述限制，三维蒸发器通过增大蒸发表面积、促进水汽扩散并利用侧壁与环境之间的热交换，可获得优于二维蒸发器的蒸发性能。

2、然而，现有三维蒸发器通常依赖柱状、锥状、阵列状或整体多孔块体等固定宏观结构来提供较大的蒸发界面。这类结构在非工作状态下占用体积较大，难以压缩、折叠或高密度包装，不利于野外应急净水、便携式海水淡化及分散式水处理应用。此外，普通弹性多孔蒸发器即使能够被外力压缩，也通常无法主动固定临时压缩形状，需要持续机械约束，且多次压缩或水环境使用后容易出现功能层脱落、孔道堵塞或蒸发性能衰减等问题。

3、形状记忆聚合物可在外界刺激下由临时形状恢复至预设形状，将其引入三维蒸发器有望实现“储运时压缩、使用时展开”的可部署结构。反式1,4-聚异戊二烯（tpi）具有热响应形状记忆特性，可赋予多孔海绵可压缩、可固定和受热恢复能力。然而，tpi改性后的海绵骨架表面以疏水性聚异戊二烯链段为主，缺少羟基、羧基、氨基等常规亲水极性基团或高反应性接枝位点，导致水系碳纳米管等光热涂层难以在其表面充分润湿、均匀沉积并稳定附着。因此，如何在疏水形状记忆基体表面构建稳定的水系光热亲水包覆层，是实现高效、耐久、可压缩三维蒸发器的关键。

4、另一方面，太阳能海水淡化过程中还存在盐分积累问题。持续蒸发会使盐离子在蒸发界面富集并析晶，造成光遮挡、孔道堵塞和蒸发速率下降。janus润湿结构通过上部疏水区域和下部亲水区域的协同调控，可在一定程度上减少上表面过度润湿和盐分堆积，同时保持底部连续供水和盐分回扩散。然而，若仅采用常规疏水剂直接在疏水形状记忆基体表面进行改性，其界面附着和选择性构筑稳定性有限。因此，需要一种能够同时解决形状记忆基体表面光热涂层稳定构筑、后续选择性疏水改性界面基础以及抗盐蒸发需求的协同制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可压缩形状记忆janus三维蒸发器及其制备方法与应用，以解决现有三维蒸发器体积较大、储运不便、压缩形状难以主动固定，以及疏水形状记忆基体表面水系光热涂层难以均匀沉积和稳定附着等问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明的目的之一在于提供一种可压缩形状记忆janus三维蒸发器的制备方法，所述方法按以下步骤进行：

4、s1：以多孔海绵为基底，通过浸涂反式1,4-聚异戊二烯（tpi）溶液，在多孔海绵骨架表面构建形状记忆层，获得具有可压缩、临时形状固定和受热恢复能力的tpi改性海绵；

5、s2：将碳纳米管（cnt）分散于单宁酸（ta）的tris-hcl缓冲溶液中，加入氧化引发剂后使ta在tpi改性海绵骨架表面发生氧化沉积并携带cnt共同包覆，随后经fe3+配位处理形成ta-cnt/fe3+光热亲水稳定包覆层；

6、s3：在所述ta-cnt/fe3+光热亲水稳定包覆层基础上，对海绵上部区域进行选择性低表面能疏水改性，使低表面能疏水层仅形成于海绵顶部一定深度范围内，而下部区域仍保持亲水供水特性，从而获得上疏水、下亲水的janus润湿结构。

7、进一步限定，s1中所述多孔海绵为三聚氰胺海绵、聚氨酯海绵、密胺海绵或聚乙烯醇海绵中的一种，优选为开孔率大于95%、回弹率大于90%的聚氨酯海绵。

8、进一步限定，s1中反式1,4-聚异戊二烯溶液浓度为1~5% w/v。

9、进一步限定，s1中海绵骨架上反式1,4-聚异戊二烯的负载量为2~20wt%，优选为4~10wt%，在保证形状记忆性能的同时避免孔隙堵塞。

10、进一步限定，s2中单宁酸在tris-hcl缓冲溶液中的浓度为1~3 g/l；tris-hcl缓冲溶液的ph为8.5，浓度为10~50 mm；所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其混合物；碳纳米管与单宁酸的质量比为1:（1.5~2.5）。

11、进一步限定，s2中所述氧化引发剂为过硫酸铵，过硫酸铵与单宁酸的质量比为1:（8~12）；所述氧化沉积反应温度为50~60 ℃，时间为6~10 h。

12、进一步限定，s2中fe3+配位处理所用铁盐为氯化铁；氯化铁溶液浓度为20~40 mm，优选为25 mm；浸泡时间为1~4 h，优选为2 h。

13、进一步限定，s3中所述低表面能疏水改性材料包括聚二甲基硅氧烷、硅树脂、烷基硅烷、含氟硅烷、蜡类材料中的一种或多种，优选为聚二甲基硅氧烷。

14、进一步限定，s3中所述低表面能疏水改性材料以有机溶剂稀释后进行选择性浸渍、接触涂覆或局部浸润，随后进行固化；当采用聚二甲基硅氧烷时，预聚体与固化剂质量比为（8~12）:1，稀释溶剂优选为正己烷，溶液浓度为5~8% w/v，固化温度为40~60 ℃，固化时间为3~5 h。

15、进一步限定，s3中疏水改性层渗透进入海绵的深度不超过海绵总高度的20%，优选为1~3 mm。

16、本发明的目的之二在于提供一种按上述方法获得的可压缩形状记忆janus三维蒸发器。

17、本发明的目的之三在于提供一种上述可压缩形状记忆janus三维蒸发器在太阳能海水淡化、盐水处理或分散式净水领域中的应用。

18、本发明与现有技术相比，优势在于：

19、本发明的可压缩三维蒸发器具有疏水光热上层和亲水供水下层的不对称janus润湿结构，其在储存和运输过程中可经60~80 ℃加热后压缩至较小体积，并在冷却后通过形状记忆效应主动固定临时形状，无需持续机械约束；在使用过程中，受60~80 ℃加热或太阳光持续照射后可自发恢复至原始三维多孔结构，重新形成大面积蒸发表面和连续水汽传输通道，所述janus结构可使太阳光热转换集中于上部蒸发界面，同时通过下部亲水区域持续供水，降低表面过度润湿和盐分堆积，兼具高效光热蒸发、抗盐结晶和便携部署等优势。具体优点如下：

20、（1）本发明通过使tpi包覆于海绵骨架表面，获得具有形状记忆效应的tpi改性海绵，tpi作为形状记忆功能组分，可在加热条件下使海绵被压缩变形，并在冷却后固定为临时压缩形状；再次受热或在太阳光持续照射下，可驱动海绵恢复至预设三维结构；该步骤赋予蒸发器可压缩、可固定和可恢复的智能结构响应能力，从根本上改善传统三维蒸发器不便携、不易储运的问题。

21、（2）针对tpi改性形状记忆海绵表面强疏水、缺少常规亲水反应位点、水系cnt涂层难以稳定构筑的特点，本发明在构建tpi表层后引入了单宁酸（ta），利用单宁酸（ta）的多重作用克服界面改性问题，ta分子含有芳香结构和丰富酚羟基，一方面，可与碳纳米管（cnt）产生π-π相互作用、疏水作用的界面相互作用，提高cnt在水相体系中的分散稳定性；同时ta具有类似贻贝多酚的非特异性粘附特征，可在弱碱性条件下发生自聚合，生成的多酚通过疏水相互作用、范德华相互作用等物理作用力，充当疏水tpi表面和光热cnt网络之间的界面桥接层，促进cnt在tpi疏水骨架表面的沉积；最后通过氯化铁溶液处理，与ta氧化物形成金属-多酚配位网络，进一步增强ta-cnt包覆层的结构稳定性和耐水冲刷能力，同时提高海绵骨架的亲水输水能力。由此获得兼具稳定光热转换、连续水传输和耐久性的涂层包覆海绵。

22、（3）本发明不以常规低表面能材料的疏水改性本身作为单独技术核心，而是利用s2形成的ta-cnt/fe³+粗糙包覆层作为后续选择性疏水改性的界面基础。该包覆层具有微纳粗糙结构、残余酚羟基和金属-多酚网络，可增加低表面能疏水层的接触面积和机械嵌合位点，并提供范德华作用、疏水相容作用及可能的弱氢键作用基础，从而有利于上部疏水层的局部固着和janus润湿结构的稳定构筑。