一种超强吸湿释水的PNIPAAm水凝胶基起绒织物的制备方法

技术领域

本发明涉及多孔吸附材料以及环境与能源的技术领域，具体涉及一种超强吸湿释水的PNIPAAm水凝胶基起绒织物的制备方法。

背景技术

随着人类社会的发展，与日俱增的淡水资源需求量以及日益严重的水污染问题导致了全球范围内淡水资源的短缺。为了满足日益增长的淡水需求，从海水、污水，大气水中获得淡水的工艺受到人们的广泛关注。其中大气水的含量丰富，约占全球湖泊水量的10％，因此，大气水收集技术被广泛用于获取淡水资源的有效途径之一。目前，用于大气水收集的材料有很多种，其中，传统的吸附材料如硅胶、氧化铝、分子筛、天然黏土等可以在高湿度下进行水分的捕获，但是在较低湿度范围内的水分收集能力仍然较差，并且这些材料与水之间易产生较强的作用力，不利于水分的释放，进而降低水的收集效率。之后，研究者们开始逐渐利用新型吸附材料(如MOF，COF，Mexene等)用于大气水收集，这些材料具有优异的吸湿能力，即使是在湿度低于30％的环境中人仍然可以快速地收集水分。然而，这些新兴吸附材料的合成过程复杂，成本较高，产率较低等问题会限制其大规模的生产，进而不利在实际生活中的应用。

例如中国专利CN 114940799 A公开了“一种用于环境水收集的核壳结构PAA-PNIPAAm水凝胶材料制备方法”，通过紫外光辐照法制备核层聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)大孔径水凝胶，然后在PNIPAAm水凝胶表面包覆一层开孔结构的小孔径聚丙烯酸钠(PAA)水凝胶，最后在将聚多巴胺纳米粒子(PDA)涂覆于PAA水凝胶表面，并将其浸入LiCl溶液，得到一种核壳结构PDA@PAA-PNIPAAm-LiCl水凝胶环境水收集材料。例如中国专利CN114573825B公开了“配体交换的中空MIL-101金属有机框架材料及其制备方法和应用”，通过对MIL-101金属有机框架材料进行酸刻蚀，得到中空MIL-101金属有机框架材料，然后将中空MIL-101金属有机框架材料与1，1’-二茂铁二甲酸分散到溶剂中，再加入乙酸混合均匀形成悬浮液，在80-160℃反应6-24小时，冷却后离心、洗涤、干燥，得到1，1’-二茂铁二甲酸配体交换的中空MIL-101金属有机框架材料。

水凝胶是一种具有较强的吸湿性能三维多孔结构高分子材料，由于其低成本，制备简单，吸湿能力强等优点，已被广泛的用于大气水收集方面。其中，PNIPAAm作为一种典型的热响应智能水凝胶，其可以通过自身独特的亲水性-疏水性构象转变和收缩来实现快速地水收集，这有效降低了水凝胶在释水过程中的能量消耗。上述诸多优点保证了水凝胶能够连续将水输送到表面并快速蒸发，使水凝胶具有较高的保水性和良好的可循环性，成为一种很有前途的环境水收集材料。此外，大气水收集器的结构也应进一步改进，由传统的二维(2D)平面结构向先进的三维(3D)宏观结构转变，因为平面结构通常会造成高光反射，从而导致巨大的能量损失，而三维宏观结构(如圆锥形、莲花、折纸玫瑰，圆柱形，蜂巢等)均可以使入射光经历多次反射，从而有助于大气水收集器的光吸收和释水效率。目前，研究人员将价格低廉且易于织造的织物用于水净化领域，通过多变的组织结构织造出具有各种立体形状的织物，如蜂巢组织，方格组织，透孔组织等，并且这些组织的织物已被证实具有高效的释水效率。因此，本发明公开了一种PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料，该收集器以PNIPAAm水凝胶为吸附材料，以CaCl

发明内容

本发明目的是：一种超强吸湿释水的PNIPAAm水凝胶基起绒织物的制备方法，采用沉淀聚合方法制备了水凝胶基起绒织物环境水收集材料，解决吸附材料吸湿性能差，释水性能差，收集效率低和吸湿盐泄露等问题。

本发明的技术方案是：

步骤一、制备起绒织物，将起绒组织的纹板图输入织机的控制面板上，通过经纬纱交织进行织物的编织。编织完成后，我们将经纱之间的纬纱剪断，经刷绒整理后，制得起绒织物；

步骤二、制备PNIPAAm水凝胶基起绒织物，将起绒织物浸入含有十二烷基硫酸钠(SDS)，过硫酸铵(KPS)，NIPAAm和N，N亚甲基双丙烯酰胺的混合溶液中，在室温下密封过夜，形成PNIPAAm水凝胶基起绒织物。

步骤三、制备PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料，先制备起绒织物，然后在制备起绒织物表面包覆一层多孔结构的PNIPAAm水凝胶，最后在将聚多巴胺纳米粒子(PDA)和聚吡咯(PPy)涂覆于起绒织物表面，并采用交替冷热处理将其浸入CaCl

进一步的，步骤(1)中所述制备起绒织物，首先，将起绒组织的纹板图输入织机的控制面板上。其次，将经纱按照穿综图整理在织机上，并根据工艺要求将经纱选择性地分成两部分。然后，将纬纱缠绕在梭子上，开始编织过程。编织完成后，我们将经纱之间的纬纱剪断，经刷绒整理后，毛簇状结构形成并成条状排列在织物表面，得到起绒织物。

进一步的，步骤(2)中所述制备PNIPAAm水凝胶基起绒织物，通过沉淀聚合法，将十二烷基硫酸钠(SDS)，过硫酸铵(KPS)，NIPAAm和N，N亚甲基双丙烯酰胺(MBA)进行混合制备具有不饱和双键的微凝胶溶液，通入N

进一步的，步骤(2)中所述混合水溶液中所需十二烷基硫酸钠质量浓度为0.3％～2％；所述过硫酸铵质量浓度2％～10％(占单体NIPAAm浓度质量百分比)；所述NIPAAm质量浓度为2％～14％；所述N，N亚甲基双丙烯酰胺质量浓度为0.1％～0.9％；所述的TEMED促进剂质量浓度为1％～5％。

进一步的，步骤(3)中制备PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料，先制备起绒织物，然后在制备起绒织物表面包覆一层多孔结构的PNIPAAm水凝胶，最后在将聚多巴胺纳米粒子(PDA)和聚吡咯(PPy)涂覆于起绒织物表面，并采用交替冷热处理将其浸入CaCl

进一步的，步骤(3)中所述多巴胺浓度为0.5～10mg/mL；所述吡咯浓度为0.2～1mL/mL；所述CaCl

本发明的优点是：

本发明将具有微观结构的多孔水凝胶材料和宏观结构的起绒织物相结合制备环境水收集材料，相互交错的周期性起绒结构与PDA/PPy的相互协同作用，可以通过多次反射，散射以实现最大水平的光吸收。同时，多孔结构和高比表面积可以有效地增强水收集材料吸湿性能(3.1g g

本发明采用冷热循环和盐化处理方法使氯化钙与水凝胶表面产生强有力的价键结合，有效地解决了了吸湿盐的泄露的问题。

本发明中采用简单绿色的制备方法得到的水收集材料具有优异的光热转化性能，其在1个太阳光强度照射下，表面温度在5min内可以快速升到76℃，大大提高了水收集效率(图4)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，

图1为对比例一中所述制备的起绒织物表面的SEM图；

图2为对比例二中所述制备的PNIPAAm基起绒织物表面的SEM图；

图3为本发明的一种PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料的实施例一中制备的材料表面SEM图；

图4为本发明的一种PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料制备方法的实施例一中制备的材料的光热转化性能；

图5为本发明的一种PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料制备方法的实施例一中制备的材料在不同湿度下的吸湿性能；

图6为本发明的一种PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料制备方法的实施例一中制备的材料的释水性能；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图、实施例和对比例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。

首先，此处所称的“实施例一”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。

另外，本发明中所讲的字母简称，均为本领域固定简称，其中部分字母文解释如下：PNIPAAm：聚N-异丙基丙烯酰胺；PPy：聚吡咯；PDA：聚多巴胺；SDS：十二烷基硫酸钠；KPS：过硫酸铵；MBA：N，N亚甲基双丙烯酰胺；TEMED：N，N，N′，N′-四甲基二乙胺；LCST：低临界转变温度；SEM：电子扫描显像图。

实施例一

本实施方式按照如下步骤制备一种PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料：

第一步、制备起绒织物

首先，将起绒组织的纹板图输入织机的控制面板上。其次，将经纱按照穿综图整理在织机上，并根据工艺要求将经纱选择性地分成两部分。然后，将纬纱缠绕在梭子上，开始编织过程。编织完成后，我们将经纱之间的纬纱剪断，经刷绒整理后，毛簇状结构形成并成条状排列在织物表面，得到起绒织物。

第二步、制备PNIPAAm水凝胶基起绒织物

将1.13g NIPAAm单体、0.0616g MBA交联剂和0.027g KPS引发剂依次加入50mL的纯水中，通入N

第三步、制备PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料

首先，将0.05g多巴胺盐酸盐(DA)和0.6mL吡咯单体(Py)溶解在100mL1mol/L的HCl水溶液中。然后，将PNIPAAm水凝胶基起绒织物浸入上述混合溶液中1小时，并且在温和搅拌下将FeCl

本实施例所制得的一种PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料的表面情况请参阅图3。如图3所示，PNIPAAm水凝胶凝胶处理后的纤维间隙填充了大量的具有高度互联孔结构的水凝胶，该种结构有利于水分的吸收，传输和储存。而经过PDA/PPy改性后的纤维或者水凝胶孔洞表面附着了大量的呈纤维状的PPy聚合物。

本实施例所制得的一种PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料的吸湿性能请参阅图5。如图5所示，本实施例方式制备的材料在90％的湿度条件下可以吸收3.1g g

对比例一

本对比例按照如下步骤制备一种PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基平面织物环境水收集材料：

第一步、制备平面织物

首先，将平纹组织的纹板图输入织机的控制面板上。其次，将经纱按照穿综图整理在织机上，并根据工艺要求将经纱选择性地分成两部分。然后，将纬纱缠绕在梭子上，开始编织过程。编织完成后，得到平面织物。

第二步、制备PNIPAAm水凝胶基平面织物

将1.13g NIPAAm单体、0.0616g MBA交联剂和0.027g KPS引发剂依次加入50mL的纯水中，通入N

第三步、制备PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基平面织物环境水收集材料

首先，将0.05g多巴胺盐酸盐(DA)和0.6mL吡咯单体(Py)溶解在100mL1mol/L的HCl水溶液中。然后，将PNIPAAm水凝胶基平面织物浸入上述混合溶液中1小时，并且在温和搅拌下将FeCl

本对比例所制得的一种PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基平面织物环境水收集材料表面情况请参阅图2，图2为对比例一中所述制备的PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基平面织物环境水收集材料表面的SEM图。如图2所示，PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基平面织物已成功附着大量的多孔水凝胶。

对比例二

本对比例按照如下步骤制备PDA/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料：

第一步、制备起绒织物

首先，将起绒组织的纹板图输入织机的控制面板上。其次，将经纱按照穿综图整理在织机上，并根据工艺要求将经纱选择性地分成两部分。然后，将纬纱缠绕在梭子上，开始编织过程。编织完成后，我们将经纱之间的纬纱剪断，经刷绒整理后，毛簇状结构形成并成条状排列在织物表面，得到起绒织物。

第二步、制备PDA/PNIPAAm水凝胶基起绒织物环境水收集材料

配制1L Tris-HCl缓冲溶液(pH＝8.5，50mM)，然后将PNIPAAm水凝胶基起绒织物加入缓冲溶液中，充分溶胀24h后，再将样品再次浸入含有多巴胺(2mg/mL)和CuSO

综上所述，本发明公开了一种超强吸湿释水的PNIPAAm水凝胶基起绒织物的制备方法，本方法在现有制备技术上更加绿色环保，工艺简便易操作，解决吸附材料光热转化效率低，吸湿性能差，水收集效率低以及吸湿盐泄露等问题。这种集光热，吸湿和释水性能于一体的PDA/PPy/PNIPAAm水凝胶基起绒织物可以在较低的湿度条件下进行水分的收集，有望成为解决水资源短缺问题的有效途径。

应说明的是，以上实施例、对比例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。