高分子光热复合材料结构与性能调控及其应用

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地球上的主要能量来自太阳。太阳能的有效利用和转化是一种解决能源危机的有效途径。将太阳能转化为热能是最简单、最直接、最有效的利用方式。光热转化功能材料是一种将光能转化为热能的材料。光热材料在海水淡化、光热治疗、发热纤维、微型发电机等领域都有潜在的应用。其中高分子光热材料因其成本低、易成型、种类多样、柔韧性好等优点被广泛研究。本文制备了三种高分子复合光热材料:超分子聚合物/聚多巴胺@氧化石墨烯(PDA@GO)复合材料、导电炭黑/细菌纤维素(Super P/BC)复合膜和聚吡咯@棉花(PPy@cotton)复合材料,并探究了其光热性能。主要研究内容和结果如下:(1)以超分子聚合物作为基体,PDA@GO为填料,制备了超分子聚合物/聚多巴胺@氧化石墨烯(PDA@GO)复合光热材料。超分子聚合物是由聚丙烯酸(PAA)和聚乙二醇200(PEG200)通过氢键作用形成。PDA@GO复合材料则是将聚多巴胺(PDA)原位生长在氧化石墨烯(GO)纳米片上制备得到的。当在1 k W/m2的辐照密度下,复合材料中的PDA@GO含量为5%时,复合膜的温度可达89.1℃。而且该复合膜既有高柔软性又有良好的粘附性,使其能够在光热疗法和热电发生器等潜在应用中用于局部加热。(2)以导电炭黑(Super P)和细菌纤维素(BC)为原材料,制备了Super P/BC复合膜。研究发现,该复合膜同时具有光热和电热性能。电热性能测试发现,当外加电压分别为2 V和3 V时,复合膜的电热性能优良,分别可达到71.7℃和121.4℃的平衡温度。对其光热性能研究发现,在辐照密度为0.5和1 k W/m2的条件下,其饱和温度分别为58.2℃和83.5℃。此外,复合膜在先辐照再施加电压的处理下,表现出更优异的发热性能。当辐照密度为0.5 k W/m2,外加电压为2 V时,复合膜的温度可达101.2℃。另外,弯曲180°的复合膜,仍具有优良的光热/电热转化能力。(3)在棉花上原位生长聚吡咯(PPy),制备出了PPy@cotton复合材料。在辐照密度为1 k W/m2时,对其进行了水蒸发和海水淡化测试。将PPy@cotton的复合材料加入自制水蒸发装置中,蒸馏水的水蒸发速率可达到2.07 kg/(m2·h),相应的热转换效率为131%。而海水中水的蒸发速率为2.05 kg/(m2·h),热转换效率为128.8%。这与蒸馏水的水蒸发实验的结果相近。研究表明该高分子复合材料具有优异的海水淡化性能。
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