[发明专利]一种具有抗菌性能的多孔光热膜及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种具有抗菌性能的多孔光热膜及其制备和应用，制备：通过聚乙烯亚胺PEI与碳纳米管CNT之间的非共价键作用来分散碳纳米管，制备分散均匀的CNT水溶液，将此溶液通过真空抽滤于混合纤维素酯MCE滤膜表面，形成自漂浮的双层多孔光热膜。该膜顶部光热转化层CNT@PEI能与底部隔热层MCE通过静电作用实现其良好机械稳定性能，且膜表面的PEI能赋予其良好的抗菌性。本发明制备方法简单，可操作性强，所获得的光热膜材料成本低，且具有较高的的界面水蒸发效率和快速的蒸发速率。

技术领域

本发明属于光热膜材料及其制备和应用领域，特别涉及一种具有抗菌性能的多孔光热膜及其制备和应用。

背景技术

将太阳能转化为热能，并使热量局域在空气-水界面驱动界面水蒸发技术能最大限度地利用太阳能，其在蒸馏以及海水淡化领域有着广阔的应用前景。典型的光热界面(膜)由顶部光热层和底部支撑层组成，作为顶部的光热层应最大化的吸收太阳能并进行光热转换，底部的支撑层应尽可能的减少热量损失并能快速补充水分。一方面，混合纤维素酯(MCE)多孔膜具有自漂浮性能和良好的表面可润湿性，不仅能将水源源不断的输送至蒸发界面处，同时其低的热导率可以有效减少热量的损失。

另一方面，各种具有高的太阳能光热转换材料，包括半导体纳米材料、贵金属等离子体纳米粒子、碳黑以及聚合物纳米材料等已被广泛地用作顶层材料。然而，这些太阳能光热材料通常因其制备方法复杂，造价高或是孔隙率低导致水蒸气的输出降低而限制其广泛的应用。如金属基太阳能吸收器—柔性黑色金膜，需先利用两步阳极氧化过程制备阳极氧化铝模板得到有序的六边形纳米孔阵列，然后采用扩孔工艺即湿法刻蚀得到自聚合的纳米线束，再通过真空离子电镀法镀上金膜，继而得到柔性的光热薄膜，此阵列虽在400-2500nm波长范围内平均吸收率达91％，且在2.5-17μm范围内平均反射率为7％，但其在20kW m^-2光照下光热效率只达到57％。

相比之下，sp²-杂化的碳纳米管(CNT)相对廉价，并且具有许多独特的特性，包括优异的光吸收(双波段的光学跃迁)，快速的光热转换和热平衡性能。此外，具有无摩擦表面的一维CNT还可以互连至分级通道中，从而增强水蒸汽输送到界面外的能力。但CNT在大多数溶剂中分散度低，彼此间作用力弱，因而易从支撑层脱落稳定性差。另外，CNT具有超疏水性导致Cassie润湿行为，会形成具有低热导率的气穴，从而限制其与液体水的接触，减少热传递并抑制水的蒸发效率。虽然氧化的CNT能克服这一缺点，但氧化会破坏其内部电子结构，从而降低其光热效率。最近报道的一种垂直排列的碳纳米管阵列(VACNT)能有效吸收280-820nm波段的太阳光，效率高达99％，然而其制备过程较为复杂，需先用化学气相沉积法合成VACNT阵列，并通过酸腐蚀或氧化处理将其与基体分离，然后再经等离子体氧化处理，将碳纳米管末端官能团化，其在5kW m^-2光照下的光热转化效率也只有60％。

此外，在实际应用中，光热膜在水中易遭受生物污染的问题也是一个迫切需要解决的难题，但却很少引起注意。

因此，开发一种具有抗菌性能的高光热转化效率的且成本低廉稳定性好的光热膜有着重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有抗菌性能的多孔光热膜及其制备和应用，克服现有技术制备方法复杂，造价高或是孔隙率低导致水蒸气的输出降低而限制其广泛的应用的技术缺陷，该发明制备方法简单，可操作性强，得到的CNT@PEI/MCE光热膜稳定性好不仅具有高效的光热转化效率，而且具有良好的抗菌性能。

本发明的一种具有抗菌性能的多孔光热膜，所述光热膜以混合纤维素酯滤膜MCE为基底层，分散剂分散的碳纳米管CNT为光热转化层。

所述混合纤维素酯滤膜MCE的孔径为0.1μm-0.5μm。

所述分散剂为聚乙烯亚胺PEI，其重均分子量为7000-150,000。