納米纖維復(fù)合水凝膠的制備及其大氣集水性能

金 賜，楊書康，戴 俊，吳德群，1b，李發(fā)學(xué)，1b，高婷婷，1b

(1.東華大學(xué) a.紡織學(xué)院,b.紡織科技創(chuàng)新中心, 上海 201620;2.江蘇悅達(dá)棉紡有限公司,江蘇 鹽城 224008)

隨著氣候變化、全球人口數(shù)量的不斷增加以及水資源污染等問題的加劇,越來越多的國家和地區(qū)面臨著水資源短缺的問題。雖然,傳統(tǒng)的膜蒸餾和反滲透海水淡化技術(shù)可以有效增加淡水產(chǎn)量,但僅適用于沿海地區(qū)。大氣集水是一種從環(huán)境空氣中捕獲水蒸氣,然后以液態(tài)水的形式釋放出來的技術(shù)[1]。據(jù)報道[2],大氣中保存了129 000億t淡水,可供提取的淡水資源豐富。因此,大氣集水技術(shù)是生產(chǎn)淡水和緩解水危機(jī)的一種很有前景的方法。

吸附式大氣集水技術(shù)具有吸水量大和操作簡單的優(yōu)點,其主要利用吸濕劑對大氣中的水蒸氣進(jìn)行吸附收集,然后通過加熱吸附劑的方式來解吸大氣水,從而完成大氣水的收集,為干旱地區(qū)的淡水短缺問題提供了一種成本較低的解決方案。該技術(shù)不需要額外的能量輸入,在考慮全球環(huán)境挑戰(zhàn)和探索可用技術(shù)時,可以使用這種經(jīng)濟(jì)實用的技術(shù)從空氣中為家庭、工業(yè)和農(nóng)業(yè)提供可持續(xù)的清潔水供應(yīng)。吸濕材料在吸附式大氣集水系統(tǒng)中起著重要的作用,常見的吸濕材料主要有吸濕鹽、硅膠(silica gel,SG)、金屬-有機(jī)骨架(metal-organic framework,MOF)材料和水凝膠等[3]。SG是一種具有開放多孔結(jié)構(gòu)的高活性吸附材料,其吸濕量可以達(dá)到40%甚至300%[4]。Entezari等[5]通過結(jié)合SG、氯化鋰(LiCl)和聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP)來制備用于大氣水收集的復(fù)合材料,該復(fù)合材料顯示出更優(yōu)的吸附能力。在SG-LiCl復(fù)合材料中添加PVP,不僅可以顯著減少再生過程中的持水率,而且還可以提高吸附能力。同時,吸濕鹽LiCl還賦予聚合物鏈拉伸構(gòu)象和流動性的增強(qiáng),這有利于在低相對濕度環(huán)境下將吸收的水轉(zhuǎn)移到吸濕層內(nèi)部。因此,SG-LiCl-PVP復(fù)合材料顯示出高集水能力。但是SG存在強(qiáng)度低、價格貴、成型所需時間長、廢料無法循環(huán)利用等缺點,限制了其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。MOF材料具有孔隙率高、比表面積大等優(yōu)點,在大氣集水領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。Zhang等[6]所開發(fā)的濕度泵由干燥劑層和光熱層組成,其中:具有高度多孔結(jié)構(gòu)和大量活性位點的自支撐柔性MOF納米纖維膜作為干燥劑層,MOF和LiCl的協(xié)同作用以及獨特的多孔納米纖維結(jié)構(gòu)使?jié)穸缺镁哂袃?yōu)異吸濕性;制得的干燥劑層吸水率在溫度為25 ℃、相對濕度為90%條件下達(dá)到3.01 g/g,實現(xiàn)了優(yōu)異的大氣集水性能。但是MOF的引入使干燥劑層的制備成本增加,不適合實際生產(chǎn)應(yīng)用。相比較而言,水凝膠不僅制備成本更低,還具有易控制、易大批量制造的優(yōu)點,在大氣集水領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢。無論是天然的還是合成的水凝膠,都含有親水官能團(tuán)的3D聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)有助于它們吸收和保留質(zhì)量幾倍至數(shù)千倍的水,同時保持在水溶液中的不溶性。Lyu等[7]采用孔隙發(fā)泡和真空干燥的策略制備了大孔水凝膠,這種大孔水凝膠在溫度為25 ℃、相對濕度為90%的夜間環(huán)境條件下,每克水凝膠13 h可以吸附1.93 g的大氣水,并通過光熱效應(yīng)每克水凝膠釋放0.99 g的吸附水,實現(xiàn)了簡單、低成本、高性能的大氣集水。但是,傳統(tǒng)的水凝膠存在力學(xué)性能較差、形狀變化嚴(yán)重和水輸送緩慢(以滲透水為主)等問題,使其使用壽命短,對水的吸附和解吸速度慢[8]。

因此,本文提出了一種以納米纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合水凝膠,通過具有優(yōu)異力學(xué)性能和親水特性的納米纖維的引入,可有效解決在大氣集水過程中傳統(tǒng)水凝膠吸濕材料力學(xué)性能差、水傳輸速率低的問題。采用纖維素納米纖維(cellulose nanofiber,CNF)作為骨架增強(qiáng)聚N-異丙基丙烯酰胺(poly(N-isopropylacrylamide),PNIPAM)水凝膠的力學(xué)性能,通過浸漬LiCl以增強(qiáng)PNIPAM/CNF水凝膠對大氣水的吸附性能。制備的PNIPAM/CNF@LiCl復(fù)合水凝膠因為CNF的引入,提高了其力學(xué)性能和水傳輸速率,其抗壓強(qiáng)度從PNIPAM 的6.61 kPa增大至49.08 kPa,吸水率從PNIPAM 的0.49 g/g增大至0.71 g/g。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步以具有廣譜光吸收特性的炭黑(carbon black,CB)顆粒作為光吸收材料,以親水且可紡性良好的聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)作為基質(zhì),采用靜電紡絲方法在PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠表層構(gòu)筑PAN/CB纖維膜光熱層。在太陽光照下,PAN/CB光熱層的溫度在1 h內(nèi)可由20 ℃提升至60 ℃,并維持穩(wěn)態(tài)。可用于吸附式大氣集水系統(tǒng)的PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB復(fù)合水凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖及水蒸氣傳輸路徑如圖1所示。PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB復(fù)合水凝膠可在夜間吸附水蒸氣,在日間太陽光照條件下進(jìn)行水蒸氣脫附和集水,實現(xiàn)了簡易、節(jié)能、高效的大氣集水功能。

圖1 PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖及水蒸氣傳輸路徑Fig.1 Structure diagram and water vapor transmission path of PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB hydrogel

1 試驗部分

1.1 試驗原料與儀器

二醋酸纖維素(cellulose acetate,CA,純度=98%),購自麥克林生化科技有限公司;丙酮(acetone,AC,分析純,純度≥99.5%)、N,N-二甲基乙酰胺(N,N-dimethylacetamide,DMAc,分析純,純度≥99%)、過硫酸銨(ammonium persulfate,APS,分析純,純度≥98%)、無水乙醇(分析純,純度≥99.7%)、N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide,DMF,分析純,純度≥99.5%),均購自國藥化學(xué)試劑有限公司;氯化鋰(LiCl,純度≥99%),購自北京華威銳科化工有限公司;N-異丙基丙烯酰胺(N-isopropylacrylamide,NIPAM),購自潤友化學(xué)有限公司;N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(N,N′-methylenebisacrylamide,MBA,分析純),購自易恩化學(xué)技術(shù)有限公司;四甲基乙二胺(tetramethylethylenediamine,TMEDA,純度=99%),購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;PAN(Mw=150 000),購自麥克林生化科技有限公司;CB,購自上海泰坦科技股份有限公司;氫氧化鈉(NaOH,純度≥96%),購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

YP 2001 N型電子天平,上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;85-2型數(shù)顯控溫磁力攪拌器,常州市金壇大地自動化儀器廠;Nicolet 5700型紅外光譜儀,美國熱電公司;DS-2TPH10-3AUF型紅外熱成像儀,杭州?？滴⒂皞鞲锌萍加邢薰?SU 8010型場發(fā)射掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM),捷克FEI公司;Quantax75型能譜分析儀(energy dispersive spectroscopy,EDS),日本日立高新有限公司;LSP02-2B型靜電紡絲機(jī),保定蘭格有限公司;微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī),深圳三思縱橫科技股份有限公司;DZF-6050型真空干燥箱,上海精宏實驗設(shè)備有限公司;CEL-S500/350型氙燈光源,北京中教金源科技有限公司;KQ-300DE型數(shù)控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 纖維素纖維膜的制備

將1.3 g CA溶解在8.7 g具有一定體積比的(V(DMAc)∶V(丙酮)=2∶1)混合溶劑中,常溫下攪拌24 h[9],將得到的CA溶液進(jìn)行靜電紡絲。紡絲參數(shù)如下:正電壓為20 kV,負(fù)電壓為-1.5 kV,針頭與收集板間距為17 cm,供料速度為1 mL/h。將得到的CA纖維膜在去離子水中超聲3 h,然后置于濃度為0.5 mol/L的NaOH/乙醇溶液中水解3 h。用去離子水洗滌至中性,真空干燥,制得纖維素納米纖維膜。

1.3 PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠的制備

在9 g去離子水中依次加入單體NIPAM 0.6 g、交聯(lián)劑MBA 0.03 g、促進(jìn)劑TMEDA 0.03 mL,常溫下攪拌溶解[10]。在溶液中分別加入0.060、0.075、0.120 g纖維素納米纖維膜,高速攪拌1 h。最后在溶液中加入引發(fā)劑APS 0.036 g,攪拌溶解并進(jìn)行密封,放入冰箱低溫反應(yīng)2 h。反應(yīng)完全后將凝膠浸泡在去離子水中12 h,除去未反應(yīng)的物質(zhì)。冷凍干燥,得到PNIPAM/CNF氣凝膠[2]。將氣凝膠分別浸漬在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、5%、7%的LiCl水溶液中24 h,真空干燥6 h,制得PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠。

1.4 PAN/CB光熱層的制備

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的CB顆粒添加到DMF中超聲分散1 h,然后向CB溶液中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PAN,將混合溶液劇烈攪拌12 h,并將得到的PAN/CB溶液進(jìn)行靜電紡絲。紡絲參數(shù)如下: 正電壓為20 kV,負(fù)電壓為-1.5 kV,針頭與收集板間距為17 cm,供料速度為1 mL/h。將PAN/CB納米纖維膜沉積在已制備的水凝膠表面。最后,將制備的PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠在溫度為70 ℃條件下真空干燥24 h。PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠制備流程如圖2所示。

圖2 PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠的制備流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of preparation process of PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB hydrogel

1.5 測試與表征

(1)表面形態(tài)。采用SU 8010型場發(fā)射掃描電鏡觀察PNIPAM、PNIPAM/CNF、PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠截面的微觀形態(tài)以及PAN/CB納米纖維膜表面的微觀形態(tài)。

(2)能譜分析。采用Quantax75型能譜分析儀分別對PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠截面的C、O、N、Cl元素分布以及PAN/CB納米纖維膜表面的C、O、N元素分布進(jìn)行分析。

(3)力學(xué)性能測試。使用電子萬能試驗機(jī)測定PNIPAM以及m(PNIPAM)∶m(CNF)=10∶1、8∶1、5∶1的水凝膠(分別記為PNIPAM/CNF10∶1、PNIPAM/CNF8∶1、PNIPAM/CNF5∶1)的壓縮力學(xué)性能。制備直徑約10 mm、高度約10 mm的圓柱形水凝膠樣品,置于萬能試驗機(jī)的測試平臺上,壓縮速率為10 mm/min,每組試驗重復(fù)3次,記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(4)吸濕性能測試。采用加濕器和塑料薄膜搭建一個簡易的恒溫恒濕密閉裝置,將溫度控制為25 ℃,相對濕度分別控制在60%、70%、80%、90%。分別把制備的PNIPAM/CNF、PNIPAM/CNF@LiCl、PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠樣品放置在裝置內(nèi),時間為24 h,每隔1 h稱取水凝膠的質(zhì)量,表征其吸濕性能。

(5)光熱轉(zhuǎn)化性能測試。模擬太陽光照條件,將吸濕后的水凝膠放置在太陽光下,時間為1 h。期間,每隔5 min稱取水凝膠的質(zhì)量,并用DS-2TPH10-3AUF型紅外熱成像儀拍攝水凝膠表面照片,表征其光熱轉(zhuǎn)化性能。

(6)耐久性能測試。PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠重復(fù)集水循環(huán)10次,即在相對濕度為90%條件下吸濕24 h和在模擬太陽光照下解吸5 h為1次循環(huán),在每次循環(huán)過程后稱取PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 PNIPAM/CNF水凝膠的制備及性能

PNIPAM水凝膠和PNIPAM/CNF水凝膠(m(PNIPAM)∶m(CNF)= 8∶1)的SEM圖像如圖3所示。由圖3(a)可知,PNIPAM水凝膠顯示出均勻多孔結(jié)構(gòu),孔徑直徑為3～15 μm。PNIPAM水凝膠的水接觸角為50°,具有親水性。由圖3(b)可知,PNIPAM/CNF水凝膠具有大量孔徑從幾微米到上百微米的孔隙。這些孔隙可作為微米級的排水通道,且其含有大量微米級纖維,以提高水傳輸速率,這對于大氣水的吸收至關(guān)重要[11]。PNIPAM/CNF水凝膠水接觸角為7°,可見纖維素納米纖維的引入可大大提高水凝膠的親水性。

圖3 PNIPAM水凝膠和PNIPAM/CNF水凝膠的SEM圖Fig.3 SEM images of PNIPAM hydrogel and PNIPAM/CNF hydrogel

此外,由于纖維素納米纖維的摻雜,PNIPAM/CNF水凝膠顯示出了優(yōu)異的力學(xué)性能。通過對PNIPAM/CNF水凝膠進(jìn)行壓縮力學(xué)性能測試,量化了纖維素納米纖維對PNIPAM水凝膠的增強(qiáng)作用。PNIPAM和CNF不同質(zhì)量比的水凝膠的力學(xué)性能如圖4所示。由圖4(a)可知:在應(yīng)變相同的條件下,當(dāng)m(PNIPAM)∶m(CNF)=8∶1時,PNIPAM/CNF水凝膠的應(yīng)力得到顯著提高;但當(dāng)CNF比例進(jìn)一步增大時,PNIPAM/CNF水凝膠的應(yīng)力開始下降。由圖4(b)可知,當(dāng)m(PNIPAM)∶m(CNF)=8∶1時,PNIPAM/CNF水凝膠的彈性模量從PNIPAM水凝膠的11.02 kPa增加到81.8 kPa。除了高模量,PNIPAM /CNF水凝膠優(yōu)異的力學(xué)性能還體現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度上。由圖4(c)可知:沒引入CNF之前,PNIPAM水凝膠的抗壓強(qiáng)度為6.61 kPa;隨著CNF比例的增加,PNIPAM/CNF水凝膠的抗壓強(qiáng)度逐漸增加,當(dāng)m(PNIPAM)∶m(CNF)=8∶1時,抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值,為49.08 kPa;然而CNF的比例繼續(xù)增大時,PNIPAM/CNF水凝膠的抗壓強(qiáng)度開始下降。這可能是因為過量的CNF在PNIPAM基體中產(chǎn)生了聚集,導(dǎo)致應(yīng)力在水凝膠中分布不均[12]。后續(xù)試驗選擇m(PNIPAM)∶m(CNF)=8∶1的水凝膠進(jìn)行研究。

圖4 PNIPAM和CNF不同質(zhì)量比的水凝膠的力學(xué)性能Fig.4 Mechanical properties of hydrogels with different mass ratios of PNIPAM and CNF

PNIPAM和CNF不同質(zhì)量比的水凝膠在相對濕度為90%條件下的吸濕行為如圖5所示。由圖5可知,隨著CNF在水凝膠中比例的增加,PNIPAM/CNF水凝膠的吸濕能力逐漸增大,PNIPAM、PNIPAM/CNF10∶1、PNIPAM/CNF8∶1、PNIPAM/CNF5∶1水凝膠的吸水率分別為0.49、0.51、0.52和0.56 g/g。這是因為親水纖維素納米纖維骨架增強(qiáng)了PNIPAM水凝膠的吸濕性,而PNIPAM/CNF水凝膠的分級多孔結(jié)構(gòu)顯著提高了吸水率和水的傳輸速率[13]。

圖5 PNIPAM和CNF不同質(zhì)量比的水凝膠在相對濕度為90%條件下的吸濕性能Fig.5 Hygroscopic properties of hydrogels with different mass ratios of PNIPAM and CNF at 90% relative humidity

2.2 PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠的制備及性能

為了使吸濕層在吸附階段捕獲更多的水分,在PNIPAM/CNF水凝膠中添加吸濕鹽LiCl,制備得到PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠。吸濕鹽首先捕獲水蒸氣,然后水蒸氣液化為液態(tài)水儲存在吸濕層中。PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠的SEM圖和EDS圖分別如圖6和7所示。

圖6 PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠的SEM圖Fig.6 SEM images of PNIPAM/CNF @LiCl hydrogel

由圖6可知,在浸漬LiCl后水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變。由圖7可知,來源于PNIPAM/CNF水凝膠的C、O、N在水凝膠表面均勻分布,通過對Cl進(jìn)行能譜觀察,表征LiCl在水凝膠中的分布,Cl的分布證實了LiCl納米顆粒被成功整合到PNIPAM/CNF水凝膠框架中。作為常用的吸濕劑,LiCl顯示出強(qiáng)大的水分捕獲能力,有助于在低相對濕度環(huán)境下將吸收的水氣轉(zhuǎn)移到水凝膠內(nèi)部[14]。PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠的水接觸角為2°,可見LiCl的引入使水凝膠體系具有超親水的特性。

圖7 PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠的EDS圖Fig.7 The EDS maps of PNIPAM/CNF @LiCl hydrogel

本文進(jìn)一步探究了LiCl不同負(fù)載量對PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠吸濕性能的影響,浸漬不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)LiCl溶液的水凝膠在相對濕度為90%條件下的吸濕性能如圖8所示。由圖8可知,PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠的吸濕性能隨著LiCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先提高后降低的現(xiàn)象,在LiCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,水凝膠的吸濕性能最優(yōu)。這是因為LiCl可以快速捕獲空氣中的水蒸氣,對水?dāng)U散產(chǎn)生更大的驅(qū)動力,從而大大提高了水凝膠的吸濕能力。但是高濃度的LiCl溶液會造成“鹽析”效應(yīng),降低水凝膠的溶脹比,導(dǎo)致水凝膠的水動力體積收縮和大分子鏈的重疊[15]。因此,最終選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的LiCl溶液浸漬水凝膠以加載吸濕鹽。

圖8 浸漬不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)LiCl溶液的水凝膠在相對濕度為90%條件下的吸濕性能Fig.8 Hygroscopic properties of hydrogels impregnated with different mass fractions of LiCl solution at 90% relative humidity

2.3 PAN/CB光熱層的制備及PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB性能

除了水凝膠具有優(yōu)異的大氣水收集能力,如何對其吸附的大氣水進(jìn)行水蒸氣脫附也是非常重要的一步。界面光蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)的能源來源豐富,對環(huán)境無害,且光蒸汽轉(zhuǎn)化效率高,可被應(yīng)用于大氣集水中的水蒸氣脫附。將具有高太陽輻射吸收率、相對低的反射率、優(yōu)良導(dǎo)熱性能的CB顆粒與可紡性良好的PAN混合,通過靜電紡絲制備光熱層PAN/CB納米纖維膜。PAN/CB納米纖維膜的SEM圖如圖9所示。由圖9可知,PAN/CB 納米纖維膜光熱層由高度開放的3 D納米纖維網(wǎng)絡(luò)組成,為水蒸發(fā)提供了通道。PAN/CB納米纖維膜的EDS圖如圖10所示,其中C、O、N的分布證明了CB納米顆粒均勻嵌入PAN/CB納米纖維中,形成纖維的粗糙表面。PAN/CB納米纖維的粗糙表面大大增強(qiáng)了光熱層內(nèi)入射光的散射,從而提高了寬帶太陽輻射的有效吸收,有利于高效的光熱轉(zhuǎn)化,從而加強(qiáng)了水的脫附。

圖9 PAN/CB納米纖維膜的SEM圖Fig.9 SEM image of PAN/CB nanofiber membrane

圖10 PAN/CB納米纖維膜的EDS圖Fig.10 The EDS maps of PAN/CB nanofiber membrane

PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠在25 ℃和不同相對濕度條件下的吸濕能力如圖11所示。由圖11可知,PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠在相對濕度為60%、70%、80%和90%條件下的吸水率分別為0.40、0.47、0.56和0.71 g/g。PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠在1 h內(nèi)迅速從潮濕空氣中吸收水分,隨著環(huán)境相對濕度的增加,吸水率顯著增加。這是因為水凝膠具有比表面積大、孔隙率高和親水活性位點豐富等優(yōu)點,有利于水分子的吸收,隨著環(huán)境相對濕度增大,更多的水分子能夠與水凝膠上的活性位點結(jié)合[16]。

圖11 PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠在不同相對濕度下的吸濕性能Fig.11 Hygroscopic properties of PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB hydrogels at different relative humidity

為了說明光熱層的重要性,用紅外熱成像儀顯示了模擬太陽光照下添加光熱層前后水凝膠的表面溫度分布,結(jié)果如圖12所示。

圖12 加入光熱層前后水凝膠在模擬太陽光照下的表面溫度變化Fig.12 Surface temperature change of hydrogel under sun illumination before and after adding photothermal layer

由圖12可知:PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠和PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠初始表面溫度幾乎相同;當(dāng)光照60 min之后,PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠的表面溫度為38 ℃,而PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠的表面溫度迅速升高到60 ℃。PAN/CB光熱層具有良好的光吸收和光熱轉(zhuǎn)化能力,可以促進(jìn)PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠進(jìn)行太陽能驅(qū)動的水分脫附。

使用PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠進(jìn)行了10次完整吸附-解吸循環(huán)的耐久性測試,結(jié)果如圖13所示。由圖13可知,PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠在每次循環(huán)中有類似的吸水率,表現(xiàn)出了穩(wěn)定的長期集水性能。這可能是因為PNIPAM/CNF水凝膠的分級多孔結(jié)構(gòu)為LiCl的嵌入提供了良好的支撐,同時,借助水凝膠的孔隙和通道可以盡可能避免LiCl的損失,增強(qiáng)了水凝膠的長期穩(wěn)定性。

圖13 PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠的吸附循環(huán)性能Fig.13 Adsorption cycle performance of PNIPAM/ CNF@LiCl-PAN/CB hydrogel

3 結(jié) 論

本文報道了一種用于大氣集水的基于纖維素納米纖維骨架的復(fù)合水凝膠,實現(xiàn)了操作簡單、低成本、效率高的大氣集水。一定比例CNF的引入有效地提高PNIPAM水凝膠的力學(xué)性能和吸濕能力,相比PNIPAM水凝膠,PNIPAM/CNF水凝膠的抗壓強(qiáng)度由6.61 kPa增大到49.08 kPa。吸濕劑LiCl的引入可進(jìn)一步提高PNIPAM/CNF水凝膠吸濕能力,在溫度為25 ℃、相對濕度為90%條件下,PNIPAM水凝膠的吸水率為0.49 g/g,而具有多孔納米結(jié)構(gòu)和親水纖維素納米纖維的PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠的吸水率高達(dá)0.71 g/g。在PNIPAM/CNF@LiCl水凝膠表層構(gòu)筑PAN/CB納米纖維膜光熱層,實現(xiàn)了對水的脫附。同時,制備的PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠表現(xiàn)出良好的吸附-解吸循環(huán)耐久性。本文制備的PNIPAM/CNF@LiCl-PAN/CB水凝膠將在大氣集水、建筑物透濕窗和電子設(shè)備內(nèi)部濕度控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。