一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料及其制备方法、蒸汽生成器与应用与流程

1.本发明属于光热转换材料制备技术领域，具体涉及一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料及其制备方法、蒸汽生成器与应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息旨在增加对本发明总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.淡水短缺是人类社会特别是发展中国家和偏远地区需要紧急解决的问题之一。而海水淡化是临海和岛屿国家解决淡水紧缺的策略之一。迄今为止，各种方法例如反渗透过滤，膜蒸发等技术已被应用于海水淡化。最近开发利用太阳能绿色低能耗海水淡化成为研究热点。通过光热材料有效地将太阳光转化为热能，将海水蒸发后冷凝为液体制备淡水，该技术具有非常低的成本。例如，公布号cn111336699b的专利通过将亚麻纤维编织成网状结构，经过蜡烛灰和聚氨酯分散喷涂后制备了一种亚麻纤维基光热转换材料。
4.到目前为止，已经开发了多种材料作为太阳能蒸汽发电的光热转换材料，如碳基材料、金属纳米颗粒、气凝胶和多孔聚合物。光热转换材料的研究主要围绕下面几个方面：第一，宽波段的太阳光谱吸收，实现高的太阳
‑
热转换效率。第二，能够在蒸发区域局部加热，使热量损失最小。第三，允许通过毛细效应持续供水，以实现持续蒸发。需要强调的是，除了高的光热转换性能，光热转换材料的稳定性和宽的适用范围是这类材料真正实现产业化应用所必需。然而，现有的这几类光热转换材料仍然存在以下方面的问题：例如，碳材料具有较高的稳定性，但是碳材料机械性能较差。而有机高分子聚吡咯、聚苯胺等材料的抗生物污染性较差。金属基材料在高盐度水中容易受到腐蚀。


技术实现要素：

5.针对上述的问题，提高光热转换材料的稳定性、机械强度，如强酸强碱耐腐蚀性，高盐度溶液抗侵蚀性，抗生物污染的性能，材料的拉伸强度和抗摩擦等，是光热转换材料真正实现产业化应用所必须解决的问题。为实现上述目的，本发明提供一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料及其制备方法、蒸汽生成器与应用，其具体技术方案如下所述：在本发明的第一方面，提供一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料，其包括高硅氧玻璃纤维基体以及包覆在该基体表面的碳质层。
6.进一步地，所述基体为高硅氧玻璃纤维编织而成的纤维布，所述碳质层覆盖在该纤维布的表面，形成柔性的平面光热转换材料。
7.进一步地，所述纤维布厚度0.06~3mm，优选地，所述高硅氧玻璃纤维的氧化硅含量>92wt%。
8.进一步地，所述纤维布的编织类型包括二维平纹编织、二维斜纹编织、二维缎纹编织等中的任意一种。
9.进一步地，所述高硅氧玻璃纤维束的原丝数量在1k~12k之间可选，如1 k、3 k、6k、12k等中的任意一种。
10.在本发明的第二方面，提供一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的制备方法，包括如下步骤：（1）在隔氧条件下，用携带有碳质前驱体的气流吹扫高硅氧玻璃纤维，从而使碳质前驱体附着在高硅氧玻璃纤维表面，得光热转换材料前驱体。
11.（2）在气流吹扫同时对所述光热转换材料前驱体进行碳化处理，即得。
12.进一步地，步骤（1）中，所述碳质前驱体包括芳香族聚合物，优选地，所述芳香族聚合物包括苯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯基咪唑、乙烯基咪唑共聚物等中的至少一种。这些芳香族聚合物的分解温度较低，经过加热处理后挥发成气态物质，随气流吹扫后可以均匀地附着在高硅氧玻璃纤维的表面。
13.进一步地，步骤（1）中，所述气流包括氮气、惰性气体等中的任一种，所述高硅氧玻璃纤维位于所述气流中，从而同时创造了隔氧条件。
14.进一步地，步骤（1）中，所述吹扫的工艺为：气体流速在5~30ml/min，并吹扫至碳化处理结束。
15.进一步地，步骤（2）中，所述碳化处理在所述5~30ml/min的气流吹扫速率条件下进行。
16.进一步地，步骤（2）中，所述碳化处理的温度为600~1000℃，时间为1~20小时。经过高温焙烧后，附着在高硅氧玻璃纤维的表面的碳质前驱体形成碳质层，即为碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料。
17.在本发明的第三方面，提供一种蒸汽生成器，其包括漂浮层、吸水层和光热转换层。其中：所述吸水层固定在漂浮层上，且吸水层至少延伸至漂浮层的下表面处，所述光热转换层固定在吸水层上，且所述光热转换层的材质为本发明提供的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料。
18.进一步地，所述漂浮层的材质包括泡沫、憎水性木块、中空的塑料等中的任意一种，其主要作用是作为负载物将水层和光热转换层漂浮在待淡化的水面上。
19.进一步地，所述吸水层包括无纺布、海绵、聚乙烯醇等中的任意一种。所述吸水层的主要作用是将待淡化的水吸引至光热转换层处，再利用光热转换层产生的热量进行蒸发，实现水的淡化。
20.在本发明的第四方面，提供所述碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料、蒸汽生成器在海洋工程等领域中的应用，如将该材料制成海水淡化装置进行海水淡化。
21.相较于现有技术，本发明具有以下方面的有益效果：（1）本发明通过简单化学沉积的方法制备了碳材料包覆的高硅氧纤维光热转换材料，氧化硅和碳复合材料不但表现出对酸、碱以及生物污染的高稳定性，同时具有良好的水蒸发性能，拓宽了光热盐水淡化以及污水淡化的使用范围。
22.（2）硅氧玻璃纤维主要成分为高氧硅（sio2），其具有高热稳定性（连续耐温温度可达1000℃）和化学稳定性（优异的耐盐水腐蚀性和抗生物污染性）；同时高硅氧纤维布具有非常强的拉伸强度和耐摩擦性。而碳同样具有高耐盐水腐蚀性和抗生物污染性，同时碳具有强吸光性，具备高效的太阳
‑
热转换效率。因此，将硅氧玻璃纤维和碳材料相结合后，能够
有效发挥基体的机械强度优势和碳包覆层的高效的太阳
‑
热转换效率，得到兼具高稳定性、机械强度和光热转换效率的复合材料。
23.（3）本发明在硅氧玻璃纤维上包覆碳层后，有效克服了高硅氧玻璃材料呈现白色而导致的反射光能力较强影响光吸收的问题，因为包覆在硅氧玻璃纤维上的碳层呈黑色，其相对于其他颜色能够更加有效地吸收太能光，促进太阳
‑
热转换效率。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：图1是第一实施例采用的高硅氧玻璃纤维布的以及在其基础上制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的效果图。
25.图2是第一实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的eds图谱以及元素分布图。
26.图3是第一实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的不同倍数下的sem图。
27.图4是第一实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的紫外
‑
可见
‑
远红外光谱吸收曲线图。
28.图5是第一实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的应力应变曲线。
29.图6是下列实施例在海水蒸发效率测试中采用的蒸汽生成器的结构示意图，其中，1表示漂浮层、2 表示吸水层、3表示光热转换层。
具体实施例
30.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
31.除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。
32.此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本发明中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。现根据说明书附图和具体实施例对本发明进一步说明。
33.第一实施例一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的制备，包括如下步骤：（1）准备如下规格的高硅氧玻璃纤维布：厚度为2mm，氧化硅含量96wt%。该纤维布采用3k的高硅氧玻璃纤维束二维平纹编织而成，长、宽均为10cm，备用。
34.（2）取聚乙烯基咪唑3g置于高硅氧舟中，然后放入直径60mm真空高硅氧管中（焙烧炉）；取所述高硅氧玻璃纤维布放置于高硅氧管中高硅氧舟旁，两端封闭后通入氮气，室温下先以30ml/min的流速吹扫30分钟，将空气吹扫干净后调节气体流速至10ml/min，然后按
照10℃/min的速率升温至800℃，并在此温度下保温2小时以进行碳化处理，完成后在氮气气流中冷却至室温。
35.（3）将步骤（2）碳化处理完成后得到的产物用清水冲洗，去除表面的残留物质，然后在100℃干燥至恒重，即得碳包覆高硅氧玻璃纤维布。
36.如图1所示，其为第一实施例采用的高硅氧玻璃纤维布的以及在其基础上制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的效果图，可以看出，原始玻璃纤维单根纤维表面光滑，直径约为10微米，编织而成的纤维布呈白色，碳包覆后样品变为黑色，说明在纤维布表面成功包覆了一层碳质层。
37.如图2所示，其为第一实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的eds图谱以及元素分布图，其可以看出，该光热转换材料的主要成分为高氧硅和碳，除此之外，还含有来自聚乙烯基咪唑的大约3%的氮元素。
38.如图3所示，其为第一实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的不同倍数下的sem图可以看出，该光热转换材料呈纤维状。
39.光吸收性能测试：将第一实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料裁剪成边长为2cm的正方形，利用紫外可见近红外光谱仪测试光吸收性能，光波长200
‑
2500 nm。测试结果如图4所示。可以看出，该光热转换材料的光吸收率达到94%，具有良好的吸光性能。利用拉力拉伸试验机测试样品的拉力强度，结果如图5所示。可以看出，纤维经过碳包覆后，材料的应力仍然超过200 mpa，具有接近金属的拉伸强度，拉伸强度优异。另外，在经过拉伸变形后，纤维布表面的碳层没有发生脱落，说明碳层与纤维基体之间结合性能优异。
40.蒸发性能测试：首先，参考图6，采用各实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料制备蒸汽生成器。所述蒸汽生成器包括聚苯乙烯泡沫漂浮层、无纺布（55%纤维素和45%聚酯纤维）吸水层和光热转换层。其中：所述吸水层固定在漂浮层上，且吸水层至少延伸至漂浮层的下表面处，所述光热转换层固定在吸水层上。然后测试蒸汽生成器在不同盐浓度（氯化钠的浓度分别为3.5wt%、7wt%、15wt%、30wt%）的模拟海水的蒸发性能。
41.首先在敞口容器中放入模拟海水，再将蒸汽生成器放置于模拟海水中，利用氙灯模拟太阳光源进行照射（1个太阳光强），通过电子天平记录容器和水在8小时间的重量变化，且每5分钟记录一次，考察蒸发器的蒸发性能。结果显示：在上述四种浓度的模拟海水中，8小时平均蒸发率分别为1.24 kg
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‑1、1.19 kg
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‑1、1.15 kg
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‑1和1.01 kg
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42.第二实施例一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的制备，包括如下步骤：（1）准备与第一实施例相同规格的高硅氧玻璃纤维布，备用。
43.（2）取聚苯乙烯2g置于高硅氧舟中，然后放入直径60mm真空高硅氧管中（焙烧炉）；取所述高硅氧玻璃纤维布放置于高硅氧管中高硅氧舟旁，两端封闭后通入氮气，室温下先以30ml/min的流速吹扫30分钟，将空气吹扫干净后调节气体流速至5ml/min，然后按照10℃/min的速率升温至900℃，并在此温度下保温3小时以进行碳化处理，完成后在氮气气流中冷却至室温。
44.（3）将步骤（2）碳化处理完成后得到的产物用清水冲洗，去除表面的残留物质，然后在100℃干燥至恒重，即得碳包覆高硅氧玻璃纤维布光热转换材料。
45.参考第一实施例的方法，在0.8个太阳光强下，对本实施例制备的光热转换材料进行蒸发性能测试，结果显示：在上述四种浓度的模拟海水中，8小时平均蒸发率分别为1.05 kg
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‑1、1.01 kg
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‑1、0.94 kg
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‑1和0.88 kg
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46.第三实施例一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的制备，包括如下步骤：（1）准备与第一实施例相同规格的高硅氧玻璃纤维布，备用。
47.（2）取苯乙烯和乙烯基咪唑共聚物共2g置于高硅氧舟中，然后放入直径60mm真空高硅氧管中（焙烧炉）；取所述高硅氧玻璃纤维布放置于高硅氧管中高硅氧舟旁，两端封闭后通入氮气，室温下先以40ml/min的流速吹扫30分钟，将空气吹扫干净后调节气体流速至10ml/min，然后按照10℃/min的速率升温至800℃，并在此温度下保温6小时以进行碳化处理，完成后在氮气气流中冷却至室温。
48.（3）将步骤（2）碳化处理完成后得到的产物用清水冲洗，去除表面的残留物质，然后在100℃干燥至恒重，即得碳包覆高硅氧玻璃纤维布光热转换材料。
49.参考第一实施例的方法，在1.5个太阳光强下，对本实施例制备的光热转换材料进行蒸发性能测试，结果显示：在上述四种浓度的模拟海水中，8小时平均蒸发率分别为1.51 kg
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‑1、1.45 kg
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‑1、1.35 kg
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‑1和1.30 kg
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50.第四实施例取第一实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维布光热转换材料完全浸入装有1m的盐酸的烧杯中，然后将该烧杯放入聚四氟乙烯高压釜中，在100℃下水热处理24小时，完成后取出热转换材料水洗、烘干，测试该热转换材料在1个太阳光强下的水蒸发性能。
51.参考第一实施例的方法，在1个太阳光强下，对本实施例制备的光热转换材料进行蒸发性能测试，结果显示：在上述四种浓度的模拟海水中，8小时平均蒸发率分别为1.17 kg
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‑1、1.12 kg
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‑1、1.09 kg
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‑1和0.97 kg
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52.第五实施例取第二实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维布光热转换材料完全浸入装有1m的氢氧化钠的烧杯中，然后将该烧杯放入聚四氟乙烯高压釜中，在100℃下水热处理24小时，完成后取出热转换材料水洗、烘干，测试该热转换材料在0.8个太阳光强下的水蒸发性能。
53.参考第一实施例的方法，在0.8个太阳光强下，对本实施例制备的光热转换材料进行蒸发性能测试，结果显示：在上述四种浓度的模拟海水中，8小时平均蒸发率分别为1.02kg
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‑1、0.92 kg
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‑1、0.85 kg
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‑1和0.81 kg
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54.第六实施例取第三实施例制备的碳包覆高硅氧玻璃纤维布光热转换材料完全浸入长满青苔的自然池塘水中，然后放置室外自然放置30日，然后取出热转换材料水洗、烘干，测试该热转换材料在1.5个太阳光强下的水蒸发性能。
55.参考第一实施例的方法，在1.5个太阳光强下，对本实施例制备的光热转换材料进行蒸发性能测试，结果显示：在上述四种浓度的模拟海水中，8小时平均蒸发率分别为1.41 kg
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‑1、1.35 kg
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‑1、1.31 kg
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‑1和1.25 kg
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56.第七实施例一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的制备，包括如下步骤：
（1）准备如下规格的高硅氧玻璃纤维布：厚度为3mm，氧化硅含量92wt%。该纤维布采用12k的高硅氧玻璃纤维束二维斜纹编织而成，长、宽均为10cm，备用。
57.（2）取聚苯乙烯3g置于高硅氧舟中，然后放入直径60mm真空高硅氧管中（焙烧炉）；取所述高硅氧玻璃纤维布放置于高硅氧管中高硅氧舟旁，两端封闭后通入氩气，室温下先以20ml/min的流速吹扫30分钟，将空气吹扫干净后调节气体流速至10ml/min，然后按照20℃/min的速率升温至1000℃，并在此温度下保温1小时以进行碳化处理，完成后在氮气气流中冷却至室温。参考第一实施例的方法，在1个太阳光强下，对本实施例制备的光热转换材料进行蒸发性能测试，结果显示：在上述四种浓度的模拟海水中，8小时平均蒸发率分别为1.21 kg
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‑1、1.18 kg
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‑1、1.06 kg
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‑1和0.95 kg
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58.第八实施例一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料的制备，包括如下步骤：（1）准备如下规格的高硅氧玻璃纤维布：厚度为0.06mm，氧化硅含量98wt%。该纤维布采用1k的高硅氧玻璃纤维束二维缎纹编织而成，长、宽均为10cm，备用。
59.（2）取苯乙烯3g置于高硅氧舟中，然后放入直径60mm真空高硅氧管中（焙烧炉）；取所述高硅氧玻璃纤维布放置于高硅氧管中高硅氧舟旁，两端封闭后通入氩气，室温下先以30ml/min的流速吹扫30分钟，将空气吹扫干净后调节气体流速至10ml/min，然后按照10℃/min的速率升温至600℃，并在此温度下保温20小时以进行碳化处理，完成后在氮气气流中冷却至室温。参考第一实施例的方法，在1个太阳光强下，对本实施例制备的光热转换材料进行蒸发性能测试，结果显示：在上述四种浓度的模拟海水中，8小时平均蒸发率分别为0.94 kg
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‑1、0.86 kg
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‑1、0.75 kg
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‑1和0.72 kg
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60.第九实施例取未经碳化的高硅氧玻璃纤维布作为光热转换参照材料。高硅氧玻璃纤维布：厚度为0.06mm，氧化硅含量98wt%。该纤维布采用1k的高硅氧玻璃纤维束二维缎纹编织而成，长、宽均为10cm，备用。
61.参考第一实施例的方法，在1个太阳光强下，对本实施例制备的光热转换材料进行蒸发性能测试，结果显示：在上述四种浓度的模拟海水中，8小时平均蒸发率分别为0.15 kg
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‑1、0.13 kg
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‑1、0.14 kg
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‑1和0.12 kg
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‑1。而不加任何光热转换材料，同样条件下光源直接照射在水面上，8小时平均蒸发率分别为0.17 kg
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‑1、0.16 kg
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‑1、0.18 kg
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‑1和0.15 kg
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62.可以看出，未经改性的高硅氧玻璃纤维布材料的蒸发性能远低于第一至第八实施例。
63.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。