1、第 44 卷 第 3 期2023 年 3 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.3Mar.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20210700509静电纺纳米纤维在界面太阳能蒸汽转化应用中的研究进展何满堂1,王黎明1,覃小红1,俞建勇2(1.东华大学 纺织学院,上海 201620;2.东华大学 纺织科技创新中心,上海 201620)摘 要 静电纺纳米纤维因其具有高比表面积、孔隙结构可控等优点而被用作界面太阳能蒸汽发生器基底,然而由于其力学性能不足、与光热材料的结合力差等限制了其长足发展。为此,介绍了静电纺纳米纤维的特点及其与光热
2、材料结合的主要方式,包括表面修饰、共混纺丝、Janus 纳米纤维膜以及三维纳米纤维气凝胶,对其原理、性能和工艺方法等进行系统性概述;并在此基础上展望了该研究领域的未来发展趋势,以探索静电纺纳米纤维在光热能源领域中广泛应用的方法。研究认为,加强静电纺纳米纤维与光热材料结合力并赋予其抗菌、自清洁等多功能性,是提高太阳能蒸汽发生器持久使用的一大方法,探寻简易的制备方法和开发低成本材料高性能太阳能蒸汽发生器是未来的发展重点。关键词 静电纺纳米纤维;太阳能蒸汽发生器;纳米纤维膜;纤维基气凝胶;海水淡化;污水净化;多功能材料中图分类号:TS 104.76;TS 102 文献标志码:A 收稿日期:2021-
3、07-01 修回日期:2022-03-18基金项目:国家自然科学基金项目(51973027,52003044);中央高校基本科研业务费专项资金、东华大学研究生创新基金项目(CUSF-DH-D-2022039)第一作者:何满堂(1991),男,博士生。主要研究方向为光热转换功能纤维。通信作者:王黎明(1988),男,研究员,博士。主要研究方向为静电纺纳米纤维的可控制备及应用。E-mail:。清洁水被认为是一种具有战略意义的全球性资源,其对人类的生存以及经济发展和社会进步都至关重要1-3。近年来,随着全球人口增长和环境污染的加剧,人们正在面临清洁水资源短缺的问题4-5。为解决这个问题,除节约用水以
4、外,迫切需要开发大规模、高效的海水淡化、污水净化等技术6-8。界面蒸汽转化作为一种利用太阳能产生蒸汽来获得清洁水资源的方法9-10,能够在光热材料的辅助下更好地将大自然中充足的太阳能转化成热能,以最小的环境影响解决清洁水资源短缺的问题,成为当下研究的热点之一11-12。太阳能蒸汽发生器主要由基底和光热材料 2 个部分构成,目前常用的基底主要为木材13、泡沫14、织物15、静电纺纳米纤维16-18、气凝胶17-19等,静电纺纳米纤维因其在太阳能蒸汽生成方面具有许多独特的优势,而引起研究者们的重视19-20。首先,静电纺丝可提供高比表面积的超细纤维来增强蒸发过程;其次,连续纤维可长距离输送水,保证
5、水分的充足供应;最后,通过调整静电纺装置参数,可调整薄膜的孔隙率和孔隙结构,实现较高的蒸汽逸散18,所制备的多孔静电纺纳米纤维膜在太阳能蒸汽生成方面具有重要的应用价值21-22。近年来许多研究表明,太阳能界面蒸汽转化不仅可提供清洁水资源,而且可同时用蒸汽来发电19,23-24。如 Qi 等25采用静电纺丝法制备了高效、轻质的二氧化硅/羧基化多壁碳纳米管/聚丙烯腈(SiO2/MWCNTs-COOH/PAN)纳米纤维膜,以聚苯乙烯泡沫绝缘材料作为支撑材料,棉纱作为水传输载体,将其层合在一张滤纸上,组装成一种界面水蒸发器。这种设计的优点是在确保良好的蒸发效率基础上,防止热量散发到散装水中。在能量密度
6、为1 kW/m2的光的照射下,复合纤维膜的蒸发速率为1.28 kg/(m2h),光热转换效率为 82.52%,且所制备的复合纤维膜经 20 次反复蒸发后仍能保持稳定的蒸发速率和高效率。综上所述,选用高比表面积的静电纺纳米纤维为基底构筑的太阳能蒸发器,能够利用丰富洁净的太阳能资源进行高效蒸汽转化,达到获取净水的目的,可有效解决清洁水资源短缺这个问题。为此,本文分别介绍了二维纳米纤维膜与三维纳米纤维气凝胶蒸发器中,静电纺纳米纤维与光热材料结合的主要方式,对其原理、性能和工艺方法等进行了系统性概述,分析了该领域发展的潜在问题和未来研究方向,以期为采用静电纺丝技术制备多功能太阳能蒸汽发生器提供一些有启
7、迪意义的参考。纺织学报第 44 卷1 二维表面修饰静电纺纳米纤维膜 静电纺纳米纤维的特点及其在界面蒸汽转化应用中的分类如图 1 所示。主要分为二维表面修饰纳米纤维膜、二维共混纺丝纳米纤维膜、二维Janus 纳米纤维膜以及三维纳米纤维气凝胶基界面太阳能蒸汽转化发生器四大类。此外,对制备太阳能发生器中选用的不同聚合物和光热材料的各项性能参数(光吸收率、蒸发速率等)进行对比,结果如表 1 所示。图 1 静电纺纳米纤维的特点及其在界面蒸汽转化中的应用分类Fig.1 Characteristics of electrospinning nanofibers and applications classi
8、fication thereof in interfacial solar steam conversion表 1 太阳能蒸汽发生器性能对比Tab.1 Performance comparison of evaporators太阳能蒸发器构成(聚合物/光热材料)光吸收率/%蒸发速率/(kg(m2h)-1)转化效率/%脱盐率/%参考文献聚乳酸/氧化钨3.818117聚酰胺/炭黑941.248326聚偏氟乙烯/碳纳米管901.436099.927甲基丙烯酸乙酯/石墨烯921.258228聚偏氟乙烯+聚丙烯腈/炭黑98.61.28229聚甲基丙烯酸甲酯/炭黑971.37230聚偏氟乙烯/碳球961.
9、29739931聚偏氟乙烯/金纳米颗粒 3.6479.832聚 氨 酯/碳 纳 米管+聚多巴胺941.4490.133聚偏氟乙烯+聚丙烯腈/氧化锡0.936034 对静电纺纳米纤维膜进行表面修饰能够赋予其多种功能,例如:负载导电材料制备传感器,喷涂抗菌剂使其具备良好的抗菌性能,沉积光热材料制备太阳能蒸汽发生器等。表面修饰主要分为物理法和化学法二大类,如图 2 所示。物理法主要指通过物理的方法(如超声波分散等)将光热材料封装或固定在纳米纤维的空隙以及表面;化学方法则是光热材料的原料单体之间发生氧化还原或聚合反应等,与纳米纤维通过形成化学键牢固结合。物理法主要是采用超声波分散、喷涂、抽滤及多层膜黏
10、合等方法,将光热材料负载在纳米纤维膜的表面或空隙中,然后采用交联剂等对其封装。例如,He 等33以聚氨酯(PU)颗粒为原料,采用静电纺丝方法 制 备 了 PU 纳 米 纤 维 膜,然 后 将 碳 纳 米管(CNTs)和聚多巴胺(PDA)通过超声波分散到 PU纳米纤维膜上,使其具备超亲水性、水下超疏油性和优良的拉伸性能等特点,且这种纳米纤维膜型太阳202第 3 期何满堂 等:静电纺纳米纤维在界面太阳能蒸汽转化应用中的研究进展 图 2 表面修饰静电纺纳米纤维膜常用方法Fig.2 Common methods for surface modification of electrospinning n
11、anofiber membrane能蒸 汽 发 生 器 在 太 阳 光 照 下 可 实 现 高 达1.44 kg/(m2h)的水分蒸发速率和 90.1%的太阳热转换效率;此外,该蒸发器经 100 次拉伸后能够保持结构稳定,且在含油废水中水蒸发性能几乎保持稳定。上述特点使设计的纳米纤维膜从目前刚性蒸发器中脱颖而出,更适合应用于实际生活中复杂的水环境。此外,喷涂法因其工艺简便等特点也常被用于在纳米纤维膜上负载光热材料,He 等27采用静电纺丝和喷涂法制备的聚二甲基硅氧烷/碳纳米管/聚偏氟乙烯(PDMS/CNT/PVDF)双层结构纳米纤维膜,具有广谱的光吸收、良好的光热转化和海水局部加热性能;新型双
12、层结构有效地重复利用凝结热,保证了更大的界面蒸发和蒸汽输送温差,从而提高了淡水生产率,在能量密度为 1 kW/m2的太阳光照射下,产水速率最高可达 1.43 kg/(m2h),脱盐率最高为 99.9%,这种新型双层结构工艺适于实际应用,有助于缓解全球淡水短缺。采用超声波分散或喷涂等物理方法可简单快速制备出太阳能蒸发器,从而达到有效的太阳能蒸汽转化效果,然而物理法所制备的太阳能蒸发器仍存在光热材料与纳米纤维结合力不强的缺点,在长期使用过程中会造成光热材料脱落,进而出现性能下降的问题。化学法主要是采用氧化还原或聚合反应等在静电纺纳米纤维膜上生长或沉积光热材料。采用化学方法可提高纳米纤维与光热材料的
13、结合牢度,对制备耐久性良好的太阳能发生器有一定的参考意义。例如:Xu 等35设计了一种核壳结构的聚多巴胺/聚乙烯亚胺/聚吡咯/聚酰胺(PDA/PEI/PPy/PI)柔性纳米纤维膜,用于高效太阳能蒸汽转化。首先采用静电纺丝法制备疏水性、柔韧性好的一维聚酰胺纳米纤维,构建纳米纤维膜的内芯;紧接着在氯化铁的氧化作用下,吡咯单体在纳米纤维表面生成 PPy 涂层,该纳米纤维膜作为太阳能捕获材料时具有 93.0%的宽带太阳能吸收率;然后采用仿生黏胶剂 PDA 作为外亲水壳进行水输送并对PEI/PPy/PI 柔性纳米纤维膜进行封装,然而纯 PDA 涂层抗腐蚀能力较差,通过PEI 吸附,PDA 与 PEI 交
14、联形成了稳定的 C=N 共价键,从而获得良好的防腐性能;该 PDA/PEI/PPy/PI纳 米 纤 维 膜 在 太 阳 光 的 照 射 下 实 现 了1.43 kg/(m2h)的蒸发速率和 86.9%的光热转换效率。Wu 等23以聚丙烯腈为原料,通过静电纺丝、炭化、氧化处理后制备多孔碳质纳米纤维膜,在太阳光主要波长范围内,该多孔碳质纳米纤维膜具有超过95%的光吸收率,且具有亲水特性、连续的通道和良好的水输送能力;此外,纳米纤维膜表面的超细碳纤维,能够为水的蒸发提供巨大的空气接触面,利于水蒸气的更快逸散;采用局部加热设计使该多孔碳质纳米纤维膜的水蒸发速率达到 1.33 kg/(m2h),蒸发效率
15、为 81.71%,实验还同时证明了该多孔碳质纳米纤维膜可从海水和酸碱溶液中回收淡水。采用化学法(如自聚合、氧化还原法)制备的太阳能蒸发器,通过光热材料与纳米纤维上的官能团进行键合作用,可形成较强的作用力,然而化学法往往需要采用许多化学药品,部分试剂对于环境有一定危害,不利于环境保护。2 二维共混纺丝静电纺纳米纤维膜 共混纺丝静电纺纳米纤维膜是通过静电纺丝方法,将聚合物和光热材料混合为均匀纺丝液制备的(见图 3),是获取耐久性太阳能蒸发器常用的方法之一。光热材料和聚合物的选用要求二者混合后在纺丝液中分散均匀,常见的搭配主要有还原氧化石墨 烯(rGO)/聚 丙 烯 腈(PAN)36、氧 化 石 墨
16、烯(GO)/聚 乙 烯 醇(PVA)16、掺 杂 二 氧 化 锡(ATO)/聚偏氟乙烯(PVDF)37等。在共混静电纺丝膜制备的蒸发器中,光热材料往往被嵌入在静电纺纳米纤维中,因而具备较好的耐久性。例如,Gao等29设计了一种低成本、可漂浮、耐用和可拉伸的蒸发器,其采用开放式纳米纤维双功能结构,用于高效太阳能蒸汽转化。该一体化双层蒸发器由静电纺疏水 PVDF 纳米纤维层和亲水炭黑/聚丙烯腈(CB/PAN)复合纳米纤维层自下而上依次组成。多孔疏水 PVDF 纳米纤维层由于其固有的低导热性,起到了悬浮支撑和隔热的作用,抑制了不可逆散热。顶部亲 水 性 CB/PAN 复 合 纳 米 纤 维 层 对 250 2 500 nm 波 长 范 围 的 宽 带 太 阳 能 吸 附 率 高 达98.6%,可有效地将太阳辐照转化为可用热能。所组装的 CB/PAN/PVDF 蒸发器在 1 个模拟太阳光强度照射下,可达到 82.0%的太阳能转换效率和长302 纺织学报第 44 卷期使用稳定性,这种高经济效益的聚合物纳米纤维蒸发器具有优异的灵活性、耐久性和可扩展性。图 3 共混纺丝静电纺纳米纤维膜原理Fig.3
