朱雅琴，黃 晨

(東華大學(xué)，上海 201620)

近年來(lái)，太陽(yáng)能以其儲(chǔ)量豐富，分布廣泛等特點(diǎn)在能源市場(chǎng)中脫穎而出[1]，通過(guò)光熱轉(zhuǎn)化技術(shù)利用太陽(yáng)能進(jìn)行水蒸發(fā)，為海水淡化、污水凈化等領(lǐng)域提供了新的解決方案[2]。目前太陽(yáng)能水蒸發(fā)系統(tǒng)主要分為體積型和界面型兩種[3，4]。在體積型水蒸發(fā)系統(tǒng)中，研究者將光熱轉(zhuǎn)化顆粒均勻分散在液體中輔助蒸發(fā)，以解決因水比熱容大導(dǎo)致的升溫過(guò)慢的問(wèn)題[5，6]。由于蒸發(fā)僅發(fā)生在氣液界面，因此在界面型水蒸發(fā)系統(tǒng)中，研究者所制備的太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化材料直接可浮于水面[7]，將熱量集中在氣液界面進(jìn)行局部加熱，進(jìn)一步提升了能量利用率，成為了主要的研究方向[8]。

在界面型水蒸發(fā)系統(tǒng)中，太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化材料的性能研究目前主要集中在4個(gè)方面：光能吸收[9]、熱能管理[10]、水分傳輸[11]以及水分蒸發(fā)[12]。在光熱轉(zhuǎn)化材料的選取上，碳材料以其π-π能級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了較寬的吸光范圍和較高的吸光度[13，14]，成為近年來(lái)熱門(mén)的光熱材料。為實(shí)現(xiàn)集中的熱能管理，研究者逐步將蒸發(fā)區(qū)域和整體水區(qū)域分隔開(kāi)來(lái)[15]，選用導(dǎo)熱系數(shù)低的原料制備基材，將熱量集中在氣液界面[16]。在水分傳輸與蒸發(fā)方面，研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)具有多孔結(jié)構(gòu)的光熱轉(zhuǎn)化材料[17]與水面直接接觸時(shí)，表層水在毛細(xì)作用力下通過(guò)材料中相互連通的水路可傳輸?shù)讲牧媳砻孢M(jìn)行蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的水分傳輸[18]。

為此，本文采用非織造梳理成網(wǎng)和針刺加固工藝，以皮芯結(jié)構(gòu)的聚丙烯/聚乙烯(PP/PE)雙組份纖維為原料，高濃化纖親水三元硅油為親水劑，制備親水非織造材料作為基材，然后通過(guò)超聲分散法、噴涂法與高溫處理工藝將多壁碳納米管(MWCNTs)負(fù)載于非織造材料表面形成非織造光熱轉(zhuǎn)化材料，最后對(duì)所得材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)和太陽(yáng)能水蒸發(fā)應(yīng)用性能測(cè)試與分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)原料：PP/PE雙組份纖維(直徑：17.6 μm，皮芯結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱系數(shù)：0.038 W·m-1·K-1)。

試驗(yàn)試劑：多壁碳納米管(MWCNTs，長(zhǎng)度：<30 μm，直徑：10 nm)，中科院成都有機(jī)化學(xué)有限公司；去離子水，東華大學(xué)化工學(xué)院提供；無(wú)水乙醇(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；K-994高濃化纖親水三元硅油(廣東科峰新材料有限公司)；氯化鈉(NaCl)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器：FZS-600型非織造實(shí)驗(yàn)室梳理機(jī)(常熟偉成非織造成套設(shè)備有限公司)；WFC-100型針刺機(jī)(常熟偉成非織造成套設(shè)備有限公司)；保溫式GZ-108B型熱風(fēng)干燥機(jī)(東華大學(xué)紡織學(xué)院提供)；F-040S型超聲機(jī)(深圳福洋科技集團(tuán)有限公司)；EM6200型掃描電子顯微鏡(北京中科科儀股份有限公司)；YG026MB型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓儀器有限公司)；YG461E型全自動(dòng)透氣性測(cè)定儀(溫州方圓儀器有限公司)；YG601H型透濕儀(溫州方圓儀器有限公司)；CFP-1100-AI多孔材料孔徑分析儀(美國(guó)PMI公司)；DSC4000差示掃描量熱儀(溫州方圓儀器有限公司)；紅外熱像儀(美國(guó)菲力爾系統(tǒng)公司)；Solar-500L模擬太陽(yáng)能系統(tǒng)(北京紐比特科技有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1纖維親水整理

按照質(zhì)量比1∶3的比例將一定量的高濃化纖親水三元硅油攪拌溶解在去離子水中，而后繼續(xù)加入去離子水將其稀釋至10倍質(zhì)量。將PP/PE纖維浸入親水劑溶液中，反復(fù)攪拌，浸泡處理24 h。將親水整理后的纖維在鼓風(fēng)烘箱中低溫(60 ℃)干燥，24 h后得到多親PP/PE雙組份纖維。

1.2.2非織造材料的制備

親水PP/PE纖維經(jīng)過(guò)手動(dòng)開(kāi)松后，經(jīng)喂棉羅拉喂入梳理機(jī)，在錫林、工作羅拉與轉(zhuǎn)移羅拉的三方作用下被分梳成單根纖維，由道夫輸出為蓬松纖網(wǎng)。然后，蓬松纖網(wǎng)通過(guò)針刺加固成為非織造材料。根據(jù)針刺工藝要求，擬定非織造材料克重為120 g·m-2。實(shí)驗(yàn)用梳理機(jī)的幅寬為50 cm，卷筒一圈周長(zhǎng)為2 m，纖維經(jīng)過(guò)充分梳理后卷繞在卷繞棍上即可直接成型制得面積為1 m2的蓬松纖網(wǎng)。因此，設(shè)定纖維喂入量為120 g。

實(shí)驗(yàn)用針刺機(jī)植針密度為3200枚/min，針刺深度為10 mm。打開(kāi)針刺機(jī)，調(diào)節(jié)裝置參數(shù)，設(shè)定針刺頻率為600 rpm，纖網(wǎng)移動(dòng)速度為1 m/min。將蓬松纖網(wǎng)喂入針刺機(jī)，刺針穿過(guò)纖網(wǎng)時(shí)，將纖網(wǎng)表面纖維刺入纖網(wǎng)內(nèi)部，纖維在縱向和橫向上形成相互纏結(jié)，經(jīng)過(guò)2道針刺成型制得具有一定強(qiáng)力的PP/PE雙組份非織造材料。

1.2.3光熱轉(zhuǎn)化材料的附著

稱取0.1 g MWCNTs，將其分散于99.9 g無(wú)水乙醇中,采用超聲分散法配制成0.1%濃度的分散液。超聲波設(shè)備功率為450 W，設(shè)定超聲時(shí)間為20 min。將分散液裝入噴瓶中，在空氣壓力的作用下，分散液被細(xì)化成小液滴附著到非織造材料的親水纖維表面。

皮芯結(jié)構(gòu)的PP/PE雙組分纖維中皮層和芯層聚合物熔點(diǎn)有一定差異。將附著了MWCNTs的非織造材料在高于皮層聚合物熔點(diǎn)，但低于芯層聚合物熔點(diǎn)的140 ℃下處理5 min。

1.3 試驗(yàn)表征

1.3.1材料微觀形貌觀察(SEM)

將樣品在真空條件下噴金后，采用EM6200型掃描電子顯微鏡對(duì)其微觀形貌進(jìn)行觀察分析。

1.3.2碳納米管附著牢度表征

將噴涂了MWCNTs的非織造材料浸入去離子水中，并將其放在磁力攪拌器上，放入磁子，快速攪拌清洗，10 min后取出。記錄附著MWCNTs前后以及清洗后的非織造材料的質(zhì)量，通過(guò)式(1)進(jìn)行附著牢度的量化表征。

式(1)

式中：D為碳納米管的損耗率；m0為PP/PE非織造材料的初始重量，g；m1為附著MWCNTs后的PP/PE雙組分非織造材料的重量，g；m2為該材料進(jìn)行10 min攪拌清洗烘干后的重量，g。

1.3.3材料孔徑測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2679.14，利用CFP-1100AI孔徑分析儀，采用泡點(diǎn)法進(jìn)行孔徑測(cè)試。試樣被已知表面張力的潤(rùn)濕劑完全浸潤(rùn)后放入試樣室，氣體受到壓力先后通過(guò)試樣濕態(tài)和干態(tài)時(shí)的毛細(xì)孔，通過(guò)分析氣體經(jīng)過(guò)試樣時(shí)的壓力和氣流的變化數(shù)據(jù)，計(jì)算得出試樣的孔徑結(jié)構(gòu)以及分布情況，試樣尺寸為3 cm×3 cm。

1.3.4材料透氣性能測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453-1997，采用YG461E型全自動(dòng)透氣儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，壓降設(shè)置為200 Pa，試樣面積為30 cm2。試樣均測(cè)試10次后取平均值。

1.3.5材料透濕性能測(cè)試

根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)透濕量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTM E96，采用YG601H透濕測(cè)試儀，在試驗(yàn)環(huán)境溫度38 ℃、相對(duì)濕度50%、1 m/s風(fēng)速的條件下對(duì)試樣進(jìn)行正杯法透濕性能的測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為1 h，試樣均測(cè)試3次后取平均值。

1.3.6材料拉伸力學(xué)性能測(cè)試

參照GB/T 24218.3-2010，采用YG026MB型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)對(duì)材料的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為50 cm×100 cm，拉伸速度為100 mm/min。

1.3.7模擬太陽(yáng)能水蒸發(fā)性能測(cè)試

配制濃度為3.5%的NaCl水溶液作為模擬海水盛在燒杯中，將非織造光熱轉(zhuǎn)化材料裁剪成圓形(R=2.4 cm)放置在模擬海水表面，然后將整個(gè)裝置放置在模擬太陽(yáng)能光源輻射范圍內(nèi)的電子天平上并實(shí)時(shí)記錄質(zhì)量變化，外接紅外熱像儀與電腦連接實(shí)時(shí)檢測(cè)材料溫度。打開(kāi)模擬太陽(yáng)能光源設(shè)備，調(diào)節(jié)電壓獲得1個(gè)模擬太陽(yáng)的光強(qiáng)，水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為8 h。實(shí)驗(yàn)初期，記錄下液體的初始質(zhì)量，此后每隔1分鐘記錄下天平的讀數(shù)，當(dāng)液體減少的質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，以此為初始時(shí)刻，每隔0.5小時(shí)記錄一次天平的質(zhì)量，分別記為m1和m2，則蒸發(fā)速率V可以通過(guò)式(2)計(jì)算得到[19]。

式(2)

式中：V為蒸發(fā)速率，kg·m-2·h-1；m1、m2分別為兩個(gè)時(shí)刻下液體的質(zhì)量，kg；A為實(shí)驗(yàn)樣品的表面積，m2；h為液體質(zhì)量記錄時(shí)間間隔，h。

1.3.8室外水蒸發(fā)性能測(cè)試

將非織造光熱轉(zhuǎn)化材料裁剪成圓形(R=2.4 cm)放置在模擬海水上，整個(gè)裝置放置在天平上，每隔1小時(shí)記錄質(zhì)量變化，實(shí)驗(yàn)在東華大學(xué)紡織學(xué)院樓頂樓進(jìn)行，當(dāng)天溫度27 ℃，相對(duì)濕度60 %，從早上6點(diǎn)至晚上6點(diǎn)水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)持續(xù)12個(gè)小時(shí)。

2 結(jié)果與討論

2.1 MWCNTs附著情況分析

圖1為非織造材料附著MWCNTs前后的掃描電鏡圖，從圖1(a)中可以看到PP/PE雙組份纖維的皮芯結(jié)構(gòu)，PE為皮層，PP為芯層。非織造材料中纖維相互纏結(jié)形成孔徑結(jié)構(gòu)，有利于水蒸發(fā)應(yīng)用中蒸汽的逸散。圖1(b)中可以看到，MWCNTs為納米尺寸，具有較大的比表面積，可與纖維之間形成較強(qiáng)的范德華力，其均勻地附著在纖維表面，非織造材料表面呈現(xiàn)出深黑色。

圖1 (a)非織造材料和(b)MWCNT-非織造材料的SEM圖與實(shí)物圖 (c)MWCNT-非織造材料的水洗效果圖

如圖1(c)所示，附著了MWCNTs的非織造材料在攪拌清洗的過(guò)程中，幾乎未有MWCNTs掉落，水溶液顏色未有變化，展現(xiàn)出較好的附著牢度。此外，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在反復(fù)的攪拌清洗后，由于PP/PE纖維密度小于水，非織造材料仍能浮于水面。

為了探究高溫處理工藝的效果，計(jì)算了有無(wú)高溫處理情況下的MWCNT-非織造材料的清洗損耗率。高溫處理后，PP/PE纖維的皮層PE發(fā)生熔融，纖維表面MWCNTs嵌入皮層，冷卻后固結(jié)在皮層中，實(shí)現(xiàn)“熱焊接”效應(yīng)，有效提高了MWCNTs的附著牢度，從圖1(b)中可以直觀地看到高溫處理后纖維發(fā)生粘連，MWCNTs固結(jié)在皮層聚合物中。根據(jù)式(1)得到的計(jì)算結(jié)果也表明通過(guò)高溫處理工藝，MWCNTs的清洗損耗率從87.6 %降低至2.9 %，有效提升了MWCNTs的附著效果。

2.2 MWCNT-非織造材料的孔徑結(jié)構(gòu)分析

圖2(a)為非織造材料附著MWCNTs前后的孔徑分布圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)附著MWCNTs前后，非織造材料的孔徑稍有下降，未發(fā)生明顯變化。纖維相互纏結(jié)形成平均孔徑為46 μm的多孔結(jié)構(gòu)，在親水纖維的毛細(xì)作用力下，水分通過(guò)相互連通的三維水路傳輸?shù)奖韺永w維中，可進(jìn)行界面蒸發(fā)，產(chǎn)生穩(wěn)定蒸汽。

圖2 附著MWCNTs前后非織造材料的(a)孔徑分布圖 (b)透氣與透濕性能

圖2(b)為非織造材料附著MWCNTs前后的透氣透濕性能變化，纖維表面均勻附著MWCNTs，非織造材料的孔徑結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，因此透氣和透濕性能也均保持穩(wěn)定。MWCNT-非織造造材料展現(xiàn)出389 g·m-2·h-1和透濕量和2882 mm·s-1的透氣量，可以保證水蒸發(fā)過(guò)程中蒸汽的穩(wěn)定逸散。

2.3 MWCNT-非織造材料的力學(xué)性能分析

圖3為非織造材料附著MWCNTs前后的強(qiáng)力-伸長(zhǎng)率曲線，在拉伸斷裂的過(guò)程中，纖維受到外力作用首先在非織造材料中沿著外力方向定向排列，緊接著在外力作用下發(fā)生斷裂。附著MWCNTs前后非織造材料的拉伸強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明MWCNTs在纖維表面均勻附著，未產(chǎn)生明顯團(tuán)聚，因此未有應(yīng)力集中現(xiàn)象。此外，MWCNT-非織造材料展現(xiàn)出176 N的高斷裂強(qiáng)力，具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3 附著MWCNTs前后非織造材料的拉伸斷裂曲線

2.4 MWCNT-非織造材料在模擬太陽(yáng)能下的水蒸發(fā)性能分析

從圖4(a)中可以看到MWCNT-非織造材料在干態(tài)和濕態(tài)下分別可以升溫至75 ℃與42 ℃，干態(tài)下MWCNTs附著在非織造材料的粗糙表面，具有較強(qiáng)的吸光度和光熱轉(zhuǎn)化能力，在水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，大量轉(zhuǎn)化的熱量用于非織造材料中親水纖維的毛細(xì)作用力抽吸上來(lái)的界面水的蒸發(fā)，因此濕態(tài)下材料表面溫度下降至42 ℃。從圖4(b)中也可以發(fā)現(xiàn)，在水蒸發(fā)過(guò)程中，熱量集中在材料的表面，因此有效提高了界面處的水分蒸發(fā)能力。

從圖4(c)中可知2 h的模擬太陽(yáng)能水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，MWCNT-非織造材料作為一種界面型光熱轉(zhuǎn)化材料展現(xiàn)了較強(qiáng)的水分蒸發(fā)能力，同等條件下非織造材料和僅有模擬海水的對(duì)照組中，質(zhì)量變化較小，說(shuō)明MWCNTs附著在非織造材料上為該材料提供了較強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)化能力，而非織造材料的親水特性和多孔結(jié)構(gòu)帶來(lái)的毛細(xì)作用又保證了水分的穩(wěn)定傳輸，實(shí)現(xiàn)高效的界面水蒸發(fā)。從圖4(d)中可以發(fā)現(xiàn)，在1 h內(nèi)MWCNT-非織造材料可以達(dá)到1.31 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率，并在8 h的水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中基本保持穩(wěn)定。

圖4 MWCNT-非織造材料模擬太陽(yáng)能水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中(a)干態(tài)和濕態(tài)下的表面溫度變化 (b)濕態(tài)紅外熱像圖 (c)水蒸發(fā)質(zhì)量變化 (d)蒸發(fā)速率

2.5 MWCNT-非織造材料室外水蒸發(fā)性能分析

從圖5中可以看到在室外水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，MWCNT-非織造材料相對(duì)僅有模擬海水的對(duì)照組，蒸發(fā)速率有了顯著提升，在一天中，隨著太陽(yáng)光強(qiáng)的變化，蒸發(fā)速率先升高再降低，并能夠持續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行水蒸發(fā)，在14時(shí)蒸發(fā)速率達(dá)到最高，為1.28 kg·m-2·h-1。全天室外模擬海水蒸發(fā)量可以達(dá)到9.36 kg·m-2·d-1。

圖5 MWCNT-非織造材料的室外水蒸發(fā)速率變化

2.6 MWCNT-非織造材料的光熱轉(zhuǎn)化效率

在界面型水蒸發(fā)材料的研究中，常用光熱轉(zhuǎn)化效率來(lái)評(píng)估材料的性能優(yōu)劣，該參數(shù)可根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算[20]。

式(3)

式中：光熱轉(zhuǎn)化效率η為水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中消耗的能量在輸入的總能量中的占比，%；m為蒸發(fā)速率, kg·m-2·h-1；hlv為水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)總的蒸發(fā)焓(顯熱+潛熱), kJ·kg-1；Copt為模擬太陽(yáng)光源光學(xué)濃度；P0為1個(gè)太陽(yáng)下的太陽(yáng)能量密度, 1kw·m-2。

根據(jù)式(3)計(jì)算MWCNT-非織造材料在1個(gè)模擬太陽(yáng)和室外環(huán)境中的光熱轉(zhuǎn)化效率如圖6所示。在水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，附著在纖維上的MWCNTs吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，模擬海水在非織造材料的親水作用下通過(guò)多孔三維通道傳輸?shù)讲牧媳砻妗１砻嬗H水纖維上的模擬海水吸收熱能發(fā)生相變，在氣液界面處蒸發(fā)。導(dǎo)熱系數(shù)較低的PP/PE雙組份非織造材料將蒸發(fā)區(qū)域和模擬海水區(qū)域分隔開(kāi)來(lái)，因此在1個(gè)模擬太陽(yáng)和室外環(huán)境下可以分別實(shí)現(xiàn)87.5 %和52.1 %的光熱轉(zhuǎn)化效率。

圖6 MWCNT-非織造材料在1個(gè)模擬太陽(yáng)和室外自然光下的光熱轉(zhuǎn)化效率

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)選用皮芯結(jié)構(gòu)的PP/PE雙組份纖維作為原料，并將附著了MWCNTs的非織造材料在高于皮層熔點(diǎn)溫度下處理5 min，可實(shí)現(xiàn)“熱焊接”效應(yīng)，將MWCNTs固結(jié)在纖維皮層中，有效提高了附著牢度。

(2)附著MWCNTs前后，非織造材料力學(xué)性能、孔徑結(jié)構(gòu)、透氣與透濕性能均不會(huì)發(fā)生顯著變化。PP/PE雙組份纖維密度低，通過(guò)非織造工藝形成多孔結(jié)構(gòu)的非織造材料，可浮于水面并借助親水纖維的毛細(xì)作用力進(jìn)行持續(xù)的水分傳輸，借助孔徑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的蒸汽逸散。

(3)MWCNT-非織造材料具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化能力和水蒸發(fā)性能，在1個(gè)模擬太陽(yáng)下，材料表面溫度在干態(tài)和濕態(tài)下分別可以達(dá)到75 ℃和42 ℃，并在水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)1.31 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率與87.5 %的光熱轉(zhuǎn)化效率。在室外自然光水蒸發(fā)過(guò)程中，也能在12 h內(nèi)穩(wěn)定蒸發(fā)，并實(shí)現(xiàn)9.36 kg·m-2·d-1的水蒸發(fā)量和52.1%的光熱轉(zhuǎn)化效率。