[发明专利]一种高导热及传输水的复合薄膜材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高导热及传输水的复合薄膜材料及其制备方法和应用，涉及材料工程技术领域，所述复合薄膜材料包含石墨烯和纤维素纳米纤维，通过将石墨烯和纤维素纳米纤维配置成混合溶液，然后超声分散、磁力搅拌均匀后抽滤并晾干成膜。本发明制备的复合薄膜材料具有丰富的亲水纳米孔道和紧密的石墨烯片层堆积，可以实现快速水传递和高热导率，可以快速的将光热转化所产生的热量传递给石墨烯层间的水纳米流体，从而加速水的蒸发。本发明的复合薄膜材料作为太阳能蒸发器应用时，在1倍太阳光的光强下，蒸发速率可以达到1.47kg m^‑2h^‑1，在3倍太阳光光强下其蒸发速率为4.51kg m^‑2h^‑1，而蒸发效率均保持在95％。

技术领域

本发明涉及材料工程技术领域，尤其涉及一种高导热及传输水复合薄膜材料及其制备方法和应用。

背景技术

针对太阳光的光热能量转换在自然界中普遍存在，太阳能水蒸发材料便是受启发于地球生物圈中的水循环，通过将高导热的纳米碳材料(石墨烯)以及亲水的纳米生物高分子(纳米纤维素纤维)组装制备成复合材料薄膜，用于提高太阳能驱动的水蒸发过程，从而实现在较低光强下高的水蒸发效率。由于此种材料在其蒸发过程中不需要额外能源或化学试剂，可为海水淡化以及污水处理提供廉价、环保的解决方案，为解决人类社会所面临的日益严重的淡水资源短缺以及废水污染等问题提供便利。

目前针对太阳能水蒸发材料的研究，主要集中在纤维素材料碳化半导体纳米粒子组装，利用碳材料以及半导体材料的红外吸收度将太阳光能转化为热能，并且通过与亲水材料复合(如纤维素或吸水纸材料)将热能传递给水实现蒸发。

但是由于传统材料必须保留一部分空腔来保证水蒸气的扩散以及液态水的传递，导致材料表层吸收太阳光所产生的热量被空腔内的空气阻隔无法向材料内部传递，限制了蒸发效率的提高，尤其在低太阳光强下(1倍太阳强/1kW m^-2)蒸发效率大多低于1.47kg m^-2h^-1。所以迫切需要创新的材料设计思路来同时获得高的太阳光吸收率、水分子与热传导材料高效接触、表层光热在材料体系内的有效传递以及水分子快速传输通道。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种高导热及传输水的复合薄膜材料。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何开发一种高导热及传输水的复合薄膜材料，提高其作为太阳能水蒸发材料时的蒸发效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种高导热及传输水的复合薄膜材料，所述复合薄膜材料包含石墨烯和纤维素纳米纤维。

所述的高导热及传输水的复合薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将所述石墨烯和所述纤维素纳米纤维配置成混合溶液；步骤2、再将所述混合溶液在超声清洗器中超声分散，接着用磁力搅拌器搅拌，重复所述超声分散和所述搅拌过程最后得到均匀石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液；步骤3、将所述石墨烯-纳米纤维素纤维分散溶液抽滤成膜，晾干得到所述复合薄膜材料。

进一步地，步骤1所述混合溶液中的所述石墨烯的质量百分比为50-90％。

进一步地，步骤1所述混合溶液中的所述纤维素纳米纤维为直径在5-15nm的高长径比针状纳米纤维素纤维。

进一步地，步骤2所述超声分散时间为2小时。

进一步地，步骤2所述搅拌时间为10分钟。

进一步地，步骤2所述重复次数为5次。

进一步地，步骤3所述抽滤以220nm孔径的聚丙烯滤膜为基底。

进一步地，步骤3所述晾干温度为室温。

所述的高导热及传输水的复合薄膜材料在太阳能蒸发器中的应用。