葛 燦，沈卓爾，陳鏡宇，方 劍

（蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021）

0 引 言

界面光熱轉換水蒸發(fā)技術是將太陽能轉換為熱能并用于水分蒸發(fā)，水分經(jīng)過處理大部分雜質和污染物被去除，最終回收到純凈的冷凝水［1］。相比于現(xiàn)有的處理技術，界面光熱轉換水蒸發(fā)技術只以太陽光為供給能源，無需提供額外的能量輸入，是一種本質上更為綠色清潔的能量利用方式［2］。

在水蒸發(fā)結構方面，傳統(tǒng)的光熱轉換水蒸發(fā)技術是對水體整體進行加熱，由于水分子僅吸收紅外光波段的太陽光，且水汽化過程僅發(fā)生在氣液界面，從而導致水蒸發(fā)效率極低［3-4］。界面光熱轉換水蒸發(fā)技術將輸水材料和光熱轉換材料結合使用，將待處理的水分和光熱轉換產(chǎn)生的熱量均集中于表面局部區(qū)域，通過加熱適量的水體實現(xiàn)高效快速水蒸發(fā)，減少經(jīng)過傳熱介質時造成的熱量損失，同時輔助熱量管理結構進一步減少能量損失［5-6］。

在光熱轉換材料的使用方面，常用的有金屬等離子材料［7-8］、半導體材料［9-10］、碳材料［11-12］。碳材料中最常見的碳納米管和氧化石墨烯具有疏松的π-π 能級結構，寬帶譜光吸收性能和光熱轉換能力強，具有成本低，光熱轉換穩(wěn)定性好，易于大規(guī)模制備等優(yōu)勢［13-14］。纖維材料種類繁多，有特殊的柔韌性和機械強度，具有功能多樣化、質輕、成本低和可裁剪性等優(yōu)點［15-16］。在界面光熱轉換水蒸發(fā)系統(tǒng)中使用纖維材料可在保障系統(tǒng)出色的效率和性能的同時，減少制造和運行成本并提升實用性［10，17］。涂層法工藝簡便，涂層效果好，具有大規(guī)模制備的可行性。本文結合碳材料和纖維材料的多種優(yōu)勢，制備以碳納米管［18-19］、氧化石墨烯［20］、還原氧化石墨烯［21］單面涂層的織物基界面光熱轉換水蒸發(fā)系統(tǒng)。探討以不同纖維基材負載不同的碳材料所得的光熱轉換效果，并通過優(yōu)化制備工藝得到負載均勻，能量利用效率高，結構性能穩(wěn)定的碳材料單面涂層織物基界面光熱轉換水蒸發(fā)系統(tǒng)。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

棉坯布、滌綸坯布、黏膠坯布（約160 g/m2，蘇州富羽萊紡織科技有限公司）；碳納米管分散液（質量分數(shù)0.4%，上海凱茵化工有限公司）；氧化石墨烯粉末（分子質量12.01，凱納碳素新材料有限公司）；無水乙醇（分析純，蘇州強盛生物醫(yī)藥公司）；氫碘酸（質量分數(shù)55%~58%，上海阿拉丁生物醫(yī)藥公司）。

1.1.2 儀器

天平（XB2200C，Precisa 公司）；模擬日光光源、強光光功率計（CEL-S500，北京中教金源科技有限公司）；臺式掃描電鏡（TM3030，Hitachi 公司）；顯微拉曼光譜儀（LabRAM XploRA，HORIBAJY 公司）；接觸角測量儀（DSA100，Krüss公司）。

1.2 樣品制備

1.2.1 坯布預處理

將坯布剪裁成10 cm×10 cm的實驗用布，浸泡于無水乙醇中，以60 ℃水浴處理2 h，并放入超聲波清洗機內超聲處理1 h，待冷卻至室溫后，用去離子水洗去坯布表面殘留的無水乙醇，再將坯布放入烘箱中以60 ℃烘干后，取出待用。

1.2.2 涂層負載方法

通過滴涂法制備涂層，具體操作為：使用移液器吸取100 μL 的碳材料分散液均勻滴加至預處理后的織物表面進行負載處理，使用橡皮筋將織物固定在敞口直徑為3 cm 的離心管上，將涂層控制為直徑3 cm 的圓形。涂好后放入烘箱中，在60 ℃下處理1 h烘干，烘干后再次使用去離子水清洗織物表面雜質，洗凈烘干后即可使用。

1.2.3 碳納米管分散液制備

稀釋碳納米管分散液，得到質量分數(shù)分別為0.02%、0.04%、0.08%、0.1%、0.2%和0.4%的碳納米管分散液。

1.2.4 氧化石墨烯分散液制備

取用氧化石墨烯粉末和去離子水，配制質量分數(shù)為0.1 %、0.5 %、1.0 %和1.5%的氧化石墨烯涂層液，并用超聲波清洗機連續(xù)超聲分散2 h，使用磁力攪拌器將分散好的溶液攪拌直到溶液形成均一的分散相。

1.2.5 氧化石墨烯織物的還原工藝

將氫碘酸和無水乙醇按體積比（1∶1、1∶2、1∶3）制備還原劑，用油浴法進行高溫（40、60、80 ℃）加熱一定時間（10、20、30 min）后對氧化石墨烯負載的織物做還原處理。

1.3 測試與表征

1.3.1 水蒸發(fā)速率測試

將模擬光源的強度設置為標準太陽光強度1 kW·m-2，將系統(tǒng)裝置放置于電子天平上，天平每30 s記錄一次讀數(shù)變化。水蒸發(fā)速率（?）計算公式為

式中：Δm為蒸發(fā)水分的質量；A為光熱轉換涂層的面積；t為水蒸發(fā)過程持續(xù)的時間。即水蒸發(fā)速率是單位時間內單位面積的水蒸發(fā)量。

1.3.2 織物結構

采用SEM測試分析樣品內部的微觀結構形態(tài)。

1.3.3 碳材料負載情況

采用Raman光譜儀測試分析氧化石墨烯基織物的還原反應效果。

2 結果與討論

2.1 織物基材對水蒸發(fā)速率的影響

在不同的織物（黏膠織物、棉織物、滌綸織物）上涂敷相同負載的光熱轉換材料，從而控制相同的光熱轉換能力。通過選用輸水速率最合適的織物作為基材，使織物吸收的水量與碳材料涂層通過光熱轉換后蒸發(fā)消耗的水量相匹配，從而獲得最高的系統(tǒng)效率且伴隨著最小的能量損失。若水分輸送速率偏低，則在碳材料涂層界面上水量過少，由光能轉換而來的熱能損耗在周圍的空氣中，無法充分用于加熱水分。若輸水速率過高，大部分從水體中吸收的水分堆積在界面，熱量并未集中用于加熱水分使之蒸發(fā)，局域中匯集了過量的水分，削弱到達光熱轉換材料表面的太陽光，降低光熱轉換效率，輸水速率與光熱轉換效率更加不匹配，產(chǎn)生惡性循環(huán)，導致水蒸發(fā)速率降低。

例13是習近平在會見中國國民黨榮譽主席連戰(zhàn)一行時談到臺灣海峽兩岸中國人應該共同努力推動兩岸關系和平發(fā)展時所講，使用了臺灣民眾熟悉而親近的語言，譯文在譯“眾人拾柴火焰高”時采取的是保留原文化痕跡的直譯方式，體現(xiàn)的是一種兩岸中國人共同的價值取向及觀念認同。

滴涂法可以有效控制碳材料在織物表面的負載量，并精確控制蒸發(fā)面積。適度的滴加可以保證分散液不完全滲透織物，使其只附著在織物的表面用于光熱轉換產(chǎn)生熱量。表層以下用于水分輸送保持其持續(xù)供給，通過調整碳材料的負載方式，實現(xiàn)在耗用最少原料的情況下獲得最優(yōu)的水蒸發(fā)效果。在不負載碳材料涂層的情況下，黏膠織物、棉織物、滌綸織物的平均水蒸發(fā)速率依次為0.75、0.7 和0.4 kg·m-2·h-1。在界面水蒸發(fā)系統(tǒng)裝置（如圖1）上對織物進行水蒸發(fā)測試。在黏膠織物、棉織物、滌綸織物上涂敷一層質量分數(shù)為0.04%碳納米管分散液時，經(jīng)多次測試，得知其平均水蒸發(fā)速率依次為1.27、1.20 和1.03 kg·m-2·h-1?？椢镉H水性能的差異是導致水蒸發(fā)速率梯度變化的最主要原因，由于黏膠織物基涂層結構的水蒸發(fā)速率更高且更穩(wěn)定，故選擇黏膠織物為基料進行后續(xù)實驗。

圖1 界面水蒸發(fā)系統(tǒng)的測試裝置Fig.1 Test device for interfacial water evapoation system

2.2 碳納米管負載的黏膠織物基系統(tǒng)的性能

以預處理過的黏膠織物為基材，配制質量分數(shù)分別為0.02%、0.04%、0.08%、0.10%、0.20%和0.40%的碳納米管分散液，使用滴涂法制備碳納米管分散的負載的黏膠織物基水蒸發(fā)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 碳納米管分散液涂敷黏膠織物基的圖片F(xiàn)ig.2 Images of carbon nanotube dispersions coated with viscose fabric substrate

經(jīng)過重復性測試，得到水蒸發(fā)速率依次為1.25、1.27、1.47、1.51、1.56 和1.59 kg·m-2·h-1，見圖3?？梢钥闯?，隨著碳納米管分散液質量分數(shù)的增加，光熱轉換涂層負載量增加，吸收光能產(chǎn)生的熱量增加，系統(tǒng)的水蒸發(fā)速率逐漸增長，并在碳納米管分散液質量分數(shù)為0.4%時速率達到最高。此后再增加分散液的質量分數(shù)，由于織物只能輸送有限的水分到達界面，過多碳納米管產(chǎn)生的熱量用于加熱周圍的空氣，系統(tǒng)的水蒸發(fā)速率并無明顯變化。由此，將0.4%碳納米管分散液涂層黏膠織物定為最優(yōu)方案。

圖3 不同量碳納米管負載黏膠織物的水蒸發(fā)速率Fig.3 Water evaporation rates of viscose composite fabrics loaded with different concentrations of carbon nanotube

為進一步分析碳納米管分散液涂層數(shù)對水蒸發(fā)速率的影響。用質量分數(shù)為0.4%的碳納米管分散液，重復操作5次1.2.2中滴涂步驟，所得系統(tǒng)的水蒸發(fā)效率依次為1.59、1.54、1.62、1.66 和1.63 kg·m-2·h-1。水蒸發(fā)速率并無明顯差異。由此可見，當單次涂層負載量達到臨界值后涂層數(shù)對復合織物的光熱轉換效率基本無影響，且隨著涂層數(shù)增多，織物上附著過厚的涂層會阻礙水分輸送并限制蒸發(fā)。從節(jié)約成本的角度，涂敷一層碳納米管分散液為最優(yōu)方案。

2.3 氧化石墨烯負載的黏膠織物基系統(tǒng)的性能

為了確定滴加分散液劑量對于涂層效果的影響，選用濃度適中、分散均勻的0.5%氧化石墨烯分散液作為標準液，研究滴加50、100、150 μL分散液的涂層效果。當?shù)渭?0 μL分散液時，織物表面的氧化石墨烯顆粒負載不完全，部分織物表面無氧化石墨烯負載；當?shù)渭?50 μL分散液時，織物表面冗余了過多的氧化石墨烯顆粒，涂層厚度不均勻，且織物的背面出現(xiàn)了滲透現(xiàn)象，造成原料的浪費；當?shù)渭?00 μL分散液時，織物表面的氧化石墨烯顆粒均勻地完全涂覆在織物表面。為保證單層織物表面能夠均勻負載碳納米顆粒，使織物表面高效光熱轉換，織物背面快速傳導水分，實現(xiàn)高效水蒸發(fā)，故以滴加100 μL分散液為最優(yōu)涂層工藝。

圖4 氧化石墨烯涂層的黏膠復合織物的正反面實物圖Fig.4 Graphene oxide coated viscose composite fabric of front-and-back side pictures

經(jīng)過反復測試，質量分數(shù)分別為0.1%、0.5%、1.0%和1.5%氧化石墨烯涂層的黏膠復合織物基系統(tǒng)的水蒸發(fā)速率依次為1.1、1.42、1.37 和1.34 kg·m-2·h-1，如圖5所示。在質量分數(shù)為0.5%時，光熱轉換效率最佳。相比于質量分數(shù)0.1%的氧化石墨烯涂層，質量分數(shù)為0.5%氧化石墨烯顆粒涂層負載量更多，光熱轉換產(chǎn)生的熱量更多；當質量分數(shù)超過0.5%時，光熱轉換產(chǎn)生的熱量達到峰值，再進一步增加負載量后，過多的氧化石墨烯顆粒反而削弱了水分的輸送，導致水蒸發(fā)速率降低。以0.5%氧化石墨烯分散液涂敷一層后，碳納米顆粒通過光熱轉換產(chǎn)生的熱量與織物輸送到界面的水量相匹配，達到最優(yōu)水蒸發(fā)速率。

圖5 不同量氧化石墨烯負載黏膠織物的水蒸發(fā)速率Fig.5 Water evaporation rates of viscose composite fabrics loaded with different concentrations of graphene oxide

2.4 還原氧化石墨烯負載的黏膠織物基系統(tǒng)的性能

為進一步提升氧化石墨烯涂層的黏膠復合織物的光熱轉換性能、結構穩(wěn)定性，需對其進行還原處理。將氫碘酸和無水乙醇混合配制溶液并震蕩使其混合均勻。采用油浴法加熱氫碘酸，氫碘酸蒸氣與復合織物結合，發(fā)生還原反應，制備得到還原氧化石墨烯涂層的黏膠復合織物，制得的織物使用乙醇和去離子水反復沖洗以去除表面殘余的反應物。

在黏膠復合織物上滴加的0.5%氧化石墨烯分散液100 μL，見圖6（a）。使用氫碘酸和無水乙醇按體積比（1∶1、1∶2、1∶3）制備還原劑，用油浴法對氧化石墨烯涂層的黏膠復合織物進行高溫加熱（40、60、80 ℃）一定時間（10、20、30 min）。

以60 ℃油浴法加熱20 min，探究還原劑中氫碘酸濃度變化帶來的影響。結果表明，以氫碘酸和無水乙醇按體積比1∶1 制備還原劑，反應過于劇烈，織物表面破裂，見圖6（b）；以體積比1∶3 制備還原劑，反應過程較慢，氧化石墨烯還原不充分。以體積比1∶2 制備還原劑，氧化石墨烯被充分還原，且織物表面并未破裂，見圖6（c）。

圖6 還原前后的氧化石墨烯涂層黏膠織物基Fig.6 Graphene oxide coated viscose composite fabrics before and after reduction

以氫碘酸和無水乙醇按體積比1∶2制備還原劑，以油浴法加熱20 min，探究油浴溫度為40、60、80 ℃的影響。結果表明，將油浴溫度設置為80 ℃時，反應過于劇烈，織物表面破裂；將油浴溫度設置為40 ℃時，反應過程較慢，氧化石墨烯還原不充分。將油浴溫度設置為60 ℃時，氧化石墨烯被充分還原，且織物表面并未破裂，該溫度為最優(yōu)加熱溫度。

以氫碘酸和無水乙醇按體積比1∶2制備還原劑，以60 ℃油浴法加熱，探究加熱時長為10、20、30 min時帶來的影響。結果表明，加熱時長為30 min時，反應過于劇烈，織物表面破裂；加熱時長為10 min 時，反應過程較慢，氧化石墨烯還原不充分。加熱時長為20 min時，氧化石墨烯被充分還原，且織物表面并未破裂，該時間為最優(yōu)反應時間。

以氫碘酸和無水乙醇按體積比1∶2制備還原劑，以60 ℃油浴法加熱20 min可穩(wěn)定有效還原氧化石墨烯涂層的黏膠織物。還原氧化石墨烯涂層的黏膠復合織物的掃描電鏡照片如圖7所示?？梢钥闯觯つz復合織物具有纖維網(wǎng)狀結構，涂層織物在還原處理前后能夠較好地保持其形貌結構，還原氧化石墨烯均勻附著在織物表面。通過毛細作用不斷傳輸供給水分至表面用于蒸發(fā)，而均勻附著在織物表面的還原氧化石墨烯涂層使得復合織物具有了強光吸收和光熱轉換能力。

圖7 涂層前后黏膠復合織物的掃描電鏡圖（比例尺=100 μm）Fig.7 SEM images of viscose composite fabrics before and after coated（scale bar=100 μm）

為檢測還原效果，對涂層織物做拉曼分析，如圖8 所示?？梢钥闯?，D 峰位于1 350 cm-1處，G 峰位于1 580 cm-1處，通過峰強比值（ID/IG）確定石墨化程度。還原氧化石墨烯的D 峰與G 峰強度比值為1.19，高于氧化石墨烯的0.76，這表明還原過程中形成了大量新的、較小的共軛疇，還原反應成效顯著［22］。綜上所述，以氫碘酸和無水乙醇按體積比1:2 制備還原劑，以60 ℃油浴法加熱20 min 為最優(yōu)方案。經(jīng)過測試得出，所制備系統(tǒng)的水蒸發(fā)速率為1.59 kg·m-2·h-1，還原反應后，速率提升12%；循環(huán)工作10 次后，速率仍高于1.53 kg·m-2·h-1，系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行。

圖8 氧化石墨烯和還原氧化石墨烯涂層織物的拉曼光譜圖Fig.8 Raman spectra of graphene oxide and reduced graphene oxide coated fabrics

3 結 論

1）碳材料單面涂層織物基界面光熱轉換水蒸發(fā)系統(tǒng)的水蒸發(fā)速率最高可達1.59 kg·m-2·h-1，在循環(huán)工作10 次后，速率仍高于1.53 kg·m-2·h-1，系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行。

2）還原氧化石墨烯涂層提高了石墨烯與黏膠織物的結合牢度，氧化石墨烯官能團能夠與黏膠織物表面的羥基等活性基團結合。適宜的還原反應條件下織物形貌結構保持穩(wěn)定，且光熱轉換性能得到了顯著提升，耐用性能好。

3）該研究提供了一種制備碳材料單面涂層織物基界面光熱轉換水蒸發(fā)系統(tǒng)的可行性方案。在實現(xiàn)快速水蒸發(fā)的同時，簡便的、易于大規(guī)模生產(chǎn)的制備工藝具有極大的實用潛力。