PANI/CB界面光熱織物制備及其水蒸發性能研究

王代誼 林曉鳳 李釗銳 李志超 吳羽健 楊玉欣 王盼 黃彥彥

收稿日期：2023-05-17

基金項目：成都大學科研啟動項目（2081921027）

作者簡介：王代誼（1999—），女，碩士研究生，從事纖維功能器件研究.Email：2257282938@qq.com

通信作者：楊玉欣（1991—），女，博士，講師，從事應用電化學及纖維功能器件研究.Email：yangyuxin@cdu.edu.cn

摘要：以碳纖維材質的棉線為基底，通過聚苯胺（PANI）原位聚合和炭黑（CB）摻雜制備PANI/CB棉線，并以其為緯線，親水棉線為經線，編織出平紋PANI/CB光熱織物.設計一種織物型的蒸發器件，聚苯乙烯泡沫為隔熱材料，棉線作供水通道，PANI/CB復合材料用于吸收太陽光.測試分析PANI/CB 棉線的微觀形貌和光熱性能，以及PANI/CB 織物的吸光性和水蒸發性能.結果表明，經PANI/CB修飾的棉線，光熱轉換能力顯著提高，且優于PANI棉線和CB棉線；PANI/CB 織物具備出色的光吸收能力，吸光率達到98.70%；在1 kW/m2的光照強度下，蒸發器件的蒸發速率達2.21 kg/（m2·h），光熱轉換效率達92.24%；此外，該光熱織物具有優異的耐鹽性，可以實現長期且大規模地生產淡水.

關鍵詞：太陽能；界面蒸發；聚苯胺；炭黑；光熱織物

中圖分類號：TS106

文獻標志碼：A

0引言

太陽能驅動的海水淡化技術相比于以化石燃料為主要能源供應的反滲透［1-2］、電滲析［3-4］和膜蒸餾［5-6］等傳統淡化技術，不僅成本低，還符合可持續發展的理念，已成為當前大規模生產淡水技術中極具前景的技術之一［7-8］.近年來，為提高能量利用率和蒸發效率，界面型太陽能蒸發技術已成為研究領域的主流［9-10］，該技術利用光熱材料在氣—液界面處將太陽能轉換為熱能，與傳統的底端加熱［11］和體積加熱［12］相比，可以顯著降低熱傳導、熱對流及熱輻射對蒸發性能的影響，以達到高效蒸發的目標.例如，胡穎等［13］通過原位聚合法制備聚吡咯/紙漿纖維 （PPy@PF），傳統造紙法獲得PPy@PF 復合光熱紙，并將其應用于太陽能驅動的界面水蒸發.結果表明，PPy@PF 展現出高的光熱性能和水蒸發性能，50 PPy@PF12對太陽光的吸收率高達97.50%，且在1 kW/m2的光照強度下持續照射5 min，纖維表面溫度可達85.3 ℃，光熱轉換效率可達93.13%.

光熱材料作為界面太陽能蒸發技術的核心，應選擇具有出色的光譜吸收能力、光熱轉換能力及光穩定性高的材料［14］.目前研究廣泛的光熱材料主要有功能性高分子材料［15-16］，如聚苯胺（PANI）和聚吡咯（PPy）；碳納米材料［17-18］，如炭黑（CB）和碳納米管（CNT）；金屬納米材料［19］，如銅（Cu）和銀（Ag）等.其中，PANI是一種可摻雜的高分子化合物，合成工藝多樣且簡單；由于自身豐富的 π 電子離域結構，使其在可見和近紅外區具有優異的光吸收性能［20］.例如，Ge等［21］通過濕紡法連續制備淺色太陽能驅動的PANI/聚丙烯腈纖維，并將其應用于可穿戴加熱器，其中采用原位聚合法制備PANI作為光熱轉化材料.結果表明，由于PANI在可見光和近紅外區具有高效且穩定的光吸收，太陽能驅動的PANI/聚丙烯腈纖維表現出優越的光熱轉換性能，在600 W/m2下（環境溫度為20.00 ℃）持續照射10 min的平衡溫度達到48.12 ℃.且PANI/聚丙烯腈纖維在扭轉變形時能保持穩定的力學性能，在50次洗滌循環測試中表現出良好的耐久性.CB常作為一種納米添加顆粒，具備寬光譜吸收能力，化學性質穩定等特點［22］.例如，李金寶等［23］以纖維素納米纖絲 （CNF）作為支撐骨架，CB作為光吸收劑，再輔以膠黏劑制備出CB/CNF復合光熱材料.結果表明，CB/CNF復合光熱轉化材料具備優異的光吸收性能，當CB添加量為 1.00%時，對太陽光的吸收率可達9205%，且在一個模擬太陽光照下，水蒸發速率可達1.17 kg/（m2·h）.同時，該材料也具有良好的親水性和隔熱性能，導熱系數維持在 0.05 W/（m·K）左右.PANI與CB組成的復合材料，提高了光熱轉換性能，為進一步應用于高效海水淡化提供了保障.然而，僅靠單獨組裝的光熱材料進行水蒸發，不具備尺寸化且壽命短.紡織材料具有孔隙率高與柔性等優勢，成本低廉，可用于支撐光吸收材料，同時具有高效的水運輸與水蒸氣逸出［24］.以織物作為基底，負載光熱材料，設計出一種織物型界面蒸發器件，不僅有助于大批量制件，也適用于實際生產.

本研究以棉線為基底，在其表面原位聚合生成PANI/CB復合光熱材料.利用傳統飛梭編織工藝，PANI/CB 棉線作緯線，親水棉線和空白棉線作經線，編織成平紋PANI/CB織物.基于PANI/CB織物，設計一種橋式的界面蒸發器件，將織物與聚苯乙烯泡沫（EPS）進行組合，并置于盛水容器上，織物呈現拱形.該器件以PANI/CB棉線為光熱材料，以EPS作為隔熱材料，以織物兩端垂落并浸潤在水中的棉線作為供水通道，進行水蒸發研究.在1 kW/m2的模擬太陽光照射下，水蒸發速率達2.21 kg/（m2·h），光熱轉換效率達92.24%.這種通過調控光熱材料和蒸發器件設計出的高性能蒸發器為充分利用太陽能開辟了新途徑，為持續海水淡化提供新思路.

1材料與方法

1.1儀器

JIB4700F型掃描電子顯微鏡（SEM）（日本電子株式會社），Lambda 1050型配備積分球的紫外/可見/近紅外分光光度計（UV/VIS/NIR）（珀金埃爾默股份有限公司），HT19型紅外熱像儀（深圳市萊訊特科技有限公司）.

1.2材料

棉線，購自玉錦紡織有限公司；CB，購自江蘇先豐納米材料科技有限公司；過硫酸銨、鹽酸、苯胺和無水乙醇，均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氯化鈉，購自成都市科隆化學品有限公司；所有試劑未經過任何提純均直接使用.

1.3樣品制備

1.3.1棉線預處理

裁剪棉線，并依次用去離子水、無水乙醇和去離子水超聲清洗10、20和10 min，以除去棉線表面多余雜質，最后放入烘箱（60～80 ℃）烘干備用.

1.3.2PANI/CB棉線的制備

首先，稱取過硫酸銨1.141 g溶解于50 mL鹽酸溶液中.隨后加入0.125 g CB，攪拌均勻，取經預處理過后的棉線置于溶液里，用玻璃棒將其按壓至完全浸潤，再加入磁石并置于磁力攪拌器中冰浴（低于4 ℃）.其次，將含有苯胺單體（0.460 mL）和乙醇（1 mL）的溶液加入到上述已配置好的混合溶液里，繼續在磁力攪拌器中冰浴，反應140 min.最后，等待反應結束，經真空抽濾機過濾純化，再用去離子水沖洗數次至濾液基本無色，以去除多余試劑，后經干燥得到PANI/CB 棉線.

1.3.3PANI/CB織物的制備

以PANI/CB棉線作緯線，以6根親水棉線及4根空白棉線作經線，通過飛梭織造裝置編織成平紋織物，編織22組，厚度為0.4 cm.PANI/CB織物精準控制棉線數量，平紋有助于水蒸氣逸出，織物兩端作為水運輸通道，上下兩層的PANI/CB棉線作為光熱材料應用于水蒸發實驗.

1.4測試與表征

使用SEM表征負載PANI/CB前后棉線的微觀形貌和結構，測試電壓為10 kV；使用UV/VIS/NIR表征光熱織物的反射率，光譜范圍為 200～2 500 nm，吸光率=100%-反射率；使用紅外熱像儀在氙燈的照射下記錄PANI/CB 織物表面的溫度變化.

1.5光熱水蒸發實驗

室內蒸發實驗環境溫度控制在（25±1）℃，濕度控制在40%±5%.采用橋式，將PANI/CB織物（5 cm×4 cm）和厚度為1 cm的EPS放置在盛水燒杯上，將樣品兩端嵌入EPS中并垂落浸潤在燒杯里.利用氙燈作為太陽光模擬器，提供平均光強為1 kW/m2的模擬太陽光，持續照射PANI/CB織物1 h.通過電子天平每隔10 min記錄1次蒸發裝置的質量變化，紅外熱像儀每隔10 min記錄1次樣品表面的溫度變化.在相同的實驗條件下，重復上述實驗10次，每次蒸發測試結束，將樣品放入烘箱內烘干，以便后續使用.水蒸發速率 （kg/（m2·h）） 可以通過每小時的重量變化 （kg/h） 除以輻照面積 （m2） 來計算.光熱轉換效率可以通過公式η=（mhLV）/qi來計算（其中，m為光誘導的相對水蒸發速率，kg/（m2·h）；hLV為水的液—汽相總潛熱，2260 kJ/kg；qi為模擬太陽光的輻照強度，kW/m2） ［25］.

2結果與分析

2.1微觀結構分析

圖1為棉線負載PANI/CB材料前后不同放大倍數下的SEM圖.從圖1（A）和圖1（B）可以看出，空白棉線表面平整光滑，無任何明顯雜質，為負載光熱材料提供更大的表面積.纖維間相互纏結形成大量的孔徑結構，不僅有利于高效的水運輸與水蒸氣逸出，還具有良好的隔熱性能，以及可充當捕獲光子的陷阱，降低能量損失.從圖1（C）和圖1（D）可以看出，PANI/CB均勻密集地包裹在每根纖維表面，形成具有一定厚度的涂層，且仍保留了空白棉線的高孔隙率.同時，纖維表面粗糙度顯著增加，有助于進行多重散射，使得光子被捕捉的機會增加，提高光吸收效率.以上說明PANI和CB已成功修飾在棉線表面.

在此基礎上，為保證樣品表面具有更高的光熱溫度，本研究對PANI/CB復合材料的生長條件做了優化.圖2（A）為光熱溫度隨反應時間增加的變化曲線圖.結果表明，隨著反應時間的增加，PANI/CB 棉線表面溫度先升高后降低.當反應時間為140 min時，表面溫度達到峰值65.3 ℃；超過140 min，樣品表面的光熱溫度反而下降，這是由于過長的反應時間導致已形成的分子鏈氧化降解，副反應增加，最終影響太陽光吸收.圖2 （B）為光熱溫度隨CB添加量增加的變化曲線圖.結果表明，隨著CB添加量的增加，PANI/CB 棉線表面溫度先升高后降低.當CB添加量為0125 g時，表面最高溫度可達65.3 ℃；超過0.125 g時，溫度下降明顯，這是由于多余的CB不僅無法與PANI形成PANI/CB復合物，而且CB容易團聚，直接影響輻射吸收特性.因此，選擇反應時間為140 min，CB添加量為0.125 g的實驗條件制備PANI/CB棉線用于后續實驗.

2.2光熱性能分析

光熱材料的光吸收能力是影響太陽能水蒸發速率和光熱轉換效率的關鍵因素，利用UV/VIS/NIR對織物的光學性能進行表征.圖3（A）為負載PANI/CB材料前后織物在整個太陽光譜內的吸光情況.結果表明，與空白織物相比，PANI/CB織物的吸光率顯著增強，織物整體溫度高達102.2 ℃，在200～2 500波段內展現優異的光譜吸收性能，能夠達到98.70%，有助于太陽光的充分吸收，提高水蒸發效率.這是由于PANI和CB材料本身出色的寬光譜吸收能力，以及棉線自帶的間隙和孔道，提高了太陽能利用率，同時還與棉線負載復合材料后粗糙度增加有關，使得太陽光在織物內部進行多次反射，進一步提高光吸收比例.以上皆表明，PANI/CB 織物是一種十分優秀的光吸收材料，在光熱轉換方面具有極大的應用潛力.

此外，為進一步表征蒸發材料的光熱轉換性能，對PANI/CB材料同PANI與CB材料的光熱性能差異進行深入探究.將分別負載3種材料的棉線置于模擬太陽光下（光照強度為1 kW/m2）持續照射5 min，利用紅外熱像儀實時監測樣品表面溫度變化，如圖3（B）所示.結果表明，負載PANI后，棉線表面溫度升高至61.5 ℃；負載CB后，棉線表面溫度升高至59.4 ℃；負載PANI/CB后，棉線表面溫度迅速升高達65.3 ℃.隨著時間的延長，PANI 、CB 和PANI/CB棉線表面的溫度均逐漸升高，但相比之下，PANI/CB 棉線表面溫度上升更快更高.這表明，經PANI/CB 修飾的棉線展現更優異的光熱性能，可以有效實現光能到熱能的轉換，同時也說明，CB的摻雜，可以有效提高復合材料的光熱轉換性能.

2.3水蒸發性能分析

為測試不同蒸發體系的光熱水蒸發性能，構建了以橋式為核心的光熱器件進行太陽能驅動的水蒸發實驗.從圖4可知，黑暗條件下純水蒸發體系的水質量損失極小，可忽略不計，反映水的自然蒸發量.在一個模擬太陽光照下，PANI/CB織物蒸發體系的蒸發量遠遠多于相同條件下純水和空白織物蒸發體系的蒸發量.一方面，是由于復合光熱織物的毛細作用和親水性，能將水連續輸送至吸光層表面，使得PANI/CB織物表面始終保持潤濕狀態，加快水蒸發的進行；另一方面，相較于傳統的整體加熱，橋式蒸發器與待蒸發水之間隔有一層EPS，將蒸發面積集中在織物表面，減小散熱面積，形成局部高溫，進而有效減小熱量損失，實現高效水蒸發.經1 h照射后，空白織物和PANI/CB織物的蒸發速率分別為0.74和2.21 kg/（m2·h ），相比于純水的蒸發速率056 kg/（m2·h）顯著提高，PANI/CB 織物的蒸發速率是空白織物的3倍.再根據蒸發效率公式計算出純水、空白織物和PANI/CB織物的光熱轉換效率分別為29.60%、41.25%和92.24%，高于一般文獻報道值［26］.因此，在其他條件保持一致的情況下，光熱轉換效率與蒸發速率呈正相關，蒸發速率越大，蒸發效率越高.以上表明，PANI/CB織物太陽能利用率高，光熱轉換性能更高，蒸發性能更好.

本研究進一步探究了在不同光照強度下織物的蒸發量，通過改變氙燈的電流大小及樣品表面到光源間的距離來調控光照強度.圖5為PANI/CB織物分別在光照強度為1、3和5 kW/m2下的水質量損失曲線圖.結果表明，光照強度越高，PANI/CB織物蒸發體系的水質量損失越多.在光照強度為5 kW/m2時，蒸發量逐漸增至4.04 kg/m2.這是由于增強光學濃度，有助于織物表面吸收更多的太陽光，進而轉換成更多的熱量，加快水蒸發進程.依據水質量損失曲線圖，計算出相應的蒸發速率分別為2.21、2.61和4.04 kg/（m2·h）.可以得出，在其他條件保持一致的情況下，蒸發速率與光照強度呈正相關，表明PANI/CB織物蒸發體系可以在高光照強度下保證高水蒸發效率.

PANI/CB織物的蒸發穩定性也是評估光熱材料的一個重要指標，在實際應用中占據重要地位.圖6（A）為蒸發器件10次循環下的蒸發速率變化圖.結果表明，經過10次循環，每次持續光照1 h，PANI/CB織物蒸發器件的蒸發速率未出現明顯下降，均始終保持在2.21 kg/（m2·h）左右，維持一個相對穩定的水平，可持久有效地驅動水蒸發.這表明，PANI/CB織物蒸發器件具備優異的穩定性和重復利用性.

同時，將光熱織物運用到太陽能驅動的海水淡化領域是一種具有重要意義的實際應用，配制質量百分比為3.50%的氯化鈉溶液作為模擬海水，并用于水蒸發測試，以評價光熱織物的耐鹽性能.圖6 （B）為PANI/CB織物蒸發器件在模擬海水與純水中的質量損失比對圖.結果表明，在持續1 h的光照下，純水的蒸發量略高于模擬海水的蒸發量，模擬海水的蒸發速率為1.88 kg/（m2·h），且在海水淡化進程中，織物蒸發器件表面并未有鹽沉積現象出現，這與織物本身的多孔結構，以及PANI/CB織物蒸發器件良好的水運輸能力有關，同時，該現象也說明，光吸收層在1 kW/m2的光照強度條件下鹽離子擴散快于鹽沉積，鹽分會隨著水分蒸發通過水循環擴散并留在水體底部，更進一步證明，PANI/CB織物蒸發器件擁有優異的耐鹽性能，可用于長時間蒸發海水.

3結論

本研究采用原位聚合和傳統飛梭編織工藝，設計一種基于PANI/CB織物的橋式太陽能驅動界面水蒸發裝置.利用化學氧化聚合法將PANI/CB 原位負載在棉線上，并用織造裝置編織出平紋PANI/CB織物，這種編織形式操作簡單，便于尺寸化.PANI/CB 棉線在持續5 min的照射下，表面最高溫度可達65.3 ℃，PANI/CB織物在整個太陽光譜內（200～2 500 nm）的吸光率達98.70%，這得益于織物的多孔且粗糙的表面結構.采用以橋式為核心的太陽能蒸發器可以優化水蒸發系統中的熱管理，在織物表面形成局部高溫，不僅增大蒸發面積，而且有效減小熱量向水和空氣等外界因素傳遞，實現雙界面高效水蒸發.在1 kW/m2的光照下，PANI/CB織物蒸發器的蒸發速率為2.21 kg/（m2·h），光熱轉換效率為92.24%，且經過10次循環，蒸發器的蒸發速率未出現明顯下降，展現優異的穩定性和可重復利用性.同時，在海水淡化（3.50%氯化鈉溶液）的實際應用中，未出現鹽沉積.PANI/CB織物呈現拱形，利用重力脫鹽的優勢，展現其優異的耐鹽性能.PANI/CB 織物及蒸發結構具有低成本、易生產、高能效與穩定性好等特點，為持續海水淡化提供了新思路.

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（實習編輯：羅媛）