一种石墨烯蒸发结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及过滤技术领域，尤其涉及一种石墨烯蒸发结构及其制备方法。

背景技术

现有的蒸发结构通常包括吸光层和隔热层。吸光层吸收阳光后升温，可加热局部的液体使之蒸发。隔热层可减少吸光层的能量损失，提高对局部液体的蒸发效率。

公开号为CN110182789B的中国发明专利公开了一种吸光隔热一体化光热蒸发材料及其制备方法和应用，包括隔热体和覆盖在隔热体外表面的吸光体，所述吸光体为垂直取向石墨烯，所述隔热体为石墨烯泡沫，所述垂直取向石墨烯和石墨烯泡沫以共价键形式连接；所述吸光体为表面经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯。其中，吸光体还可以作为液体流道，保护隔热体免受液体的润湿，避免热流通过渗入的液体向外传递，解决了常规局域加热系统中液体渗入隔热体内部所引起的热损失问题，提高了系统的光热转化效率。

上述专利虽然能够提高光热转化效率，但是仍然存在以下问题，由于吸光体完全覆盖在隔热体的外表面，所以隔热体下表面的吸光体是和液体接触的，隔热体上表面的吸光体吸收光能后产生的热能不可避免地会沿隔热体的侧表面和下表面的吸光体扩散而被周围的液体吸收，使热能耗散，吸光体的加热效果降低。此外，该吸光体为垂直取向石墨烯，其垂直取向可便于液体沿吸光体中的垂直通道向上移动，但不便于液体沿吸光体的水平方向移动，使液体主要在隔热体四周边缘的吸光体处被蒸发，使局部的蒸发效率降低。

发明内容

本发明意在提供一种石墨烯蒸发结构，以解决现有技术中的吸光体吸收光能后产生的热能易于耗散的问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种石墨烯蒸发结构，包括隔热板、设于隔热板上方的石墨烯纤维层和设于隔热板的侧表面的吸水纤维层；石墨烯纤维层含有石墨烯纤维，吸水纤维层含有吸水纤维；吸水纤维层的上缘延伸到隔热板上表面并与石墨烯纤维层相连，吸水纤维层的下缘延伸到隔热板侧表面的下缘或以下，隔热板的密度小于水的密度。

有益效果：现有技术把吸光体完全覆盖在隔热体的外表面，导致热能会沿着吸光体扩散而被周围的液体吸收，使得热能容易被无效耗散。本方案中的隔热板的密度小于水的密度，使隔热板可漂浮在水面。位于隔热板上方的石墨烯纤维层可吸收光能并转化为热能，与石墨烯纤维层相连的吸水纤维层吸水后，使水分沿吸水纤维层浸润石墨烯纤维层，从而使水分可以被石墨烯纤维层加热蒸发。吸水纤维层的导热性远低于石墨烯纤维层，使石墨烯纤维层中的热量可主要用于加热浸润该石墨烯纤维层处的液体，减少热量沿着吸水纤维层散失的情况，从而提高能量的利用率和蒸发效率。

进一步地，石墨烯纤维层和吸水纤维层均含有定向纤维，定向纤维是在该层内走向一致的纤维，80%以上的石墨烯纤维是定向纤维，80%以上的吸水纤维也是定向纤维，石墨烯纤维层和吸水纤维层连接处的定向纤维的走向一致。有益效果：定向纤维可使液体沿纤维走向扩散。吸水纤维层中的定向纤维可使液体沿定向纤维竖直向上扩散，以便液体能更快到达石墨烯纤维层而被加热。石墨烯纤维层中的定向纤维之间有序接触，可减小石墨烯纤维之间的空隙，有利于发挥毛细作用，使相同体积的液体可沿石墨烯纤维之间的狭小空隙向更远处扩散，即增大液体扩散面积，从而减小液面到石墨烯纤维表面的距离，使同样的热量在局部可加热更少的液体，进而加快蒸发速度。在制备主要含有定向纤维的纤维层时，难免有少量纤维的走向与大部分纤维的走向不同，由现有方法即可确保80%以上纤维的走向一致，例如，静电纺丝法、离心纺丝法，或离心静电纺丝法等。

进一步地，石墨烯纤维的细度为0.5μm～20μm。有益效果：较细的纤维可降低石墨烯纤维层对光线的反射，提高光吸收效率，从而提升对液体加热的效率，对液体实现更加快速的蒸发。

进一步地，石墨烯纤维层的上表面沿垂直于定向纤维的走向纵剖的剖面呈波浪形，波浪形的波峰到波谷的高度为0.1mm～1mm，相邻波峰之间的宽度为5mm～10mm。有益效果：石墨烯纤维层的上表面呈波浪形可增大石墨烯的面密度，从而提高石墨烯纤维层的吸光性和光敏感性。

进一步地，用于形成石墨烯纤维层的材料包括石墨烯浆料和亲水成纤维聚合物，石墨烯在石墨烯纤维层中的质量比为3%～8%。有益效果：纳米纤维素、壳聚糖等亲水成纤维聚合物可形成亲水纤维，它不会像合成的非亲水纤维那样包裹住石墨烯，所以亲水纤维可以作为石墨烯分子附着的骨架，使水分与石墨烯纤维充分接触，从而可提高加热蒸发效率。

进一步地，石墨烯浆料中的石墨烯包括中片层石墨烯和小片层石墨烯，中片层石墨烯的横向尺寸为10μm～15μm，小片层石墨烯的横向尺寸为0.5μm～1μm，中片层石墨烯和小片层石墨烯的重量比为(1～3):(1～5)。有益效果：小片层石墨烯吸光后更易于升温，中片层石墨烯具有更好的导热性，本方案中采用中片层石墨烯和小片层石墨烯相混合的方式，使石墨烯纤维层吸收光能后能快速且均匀地加热液体，有效提升液体蒸发效率。同时，小片层石墨烯也可加强中片层石墨烯的分子间作用力，使热量传导更均匀。

进一步地，石墨烯纤维的密度大于吸水纤维的密度。有益效果：石墨烯纤维层的纤维密度更大，有利于借助毛细作用使液体由吸水纤维层向石墨烯纤维层扩散，从而使石墨烯纤维层处的液体蒸发后有源源不断的液体被补充。

进一步地，石墨烯纤维层与吸水纤维层的连接处，石墨烯纤维或由石墨烯纤维形成的石墨烯纤维束与吸水纤维或由吸水纤维形成的吸水纤维束相互间隔排列，或者，石墨烯纤维层位于吸水纤维层的上方。有益效果：以上设置方式有助于液体沿着吸水纤维层均匀、连续地浸润石墨烯纤维层，使液体在石墨烯纤维层的分散更均匀，提高加热蒸发效率。

进一步地，隔热板的上表面和侧表面均设有若干盲孔，盲孔中填充有亲水成纤维聚合物，盲孔的开口面积小于开口以下部分的横截面积。有益效果：隔热板的上表面和侧面设置盲孔，并在盲孔中填充亲水成纤维聚合物，可使纤维层中的亲水成纤维聚合物在盲孔处与盲孔内的亲水成纤维聚合物相融合，加固纤维层和隔热板之间的结合。盲孔的开口面积更小使盲孔内的亲水成纤维聚合物可卡合在盲孔内，即使因为长期浸润于液体而发生溶胀，也不易脱离隔热层。

本发明还提供了上述石墨烯蒸发结构的制备方法。包括如下步骤：步骤一，制备石墨烯纤维纺丝液和吸水纤维纺丝液；步骤二，倾斜放置隔热板，使隔热板的上表面与水平面呈角为30°～60°，以静电纺丝法在隔热板的侧表面及其相邻上表面的部分区域形成吸水纤维层；步骤三，水平放置隔热板，以静电纺丝法或3D打印的方式在隔热板上方形成石墨烯纤维层。

有益效果：静电纺丝法和3D打印的方式均可用于制备具有定向纤维的无纺布。通过限定静电纺丝孔的运动轨迹在纺丝罐下方的平面内，可使其运动轨迹在隔热板上表面的投影为直线，所以由其纺出的纤维落在隔热板的表面后，80%以上的纤维都具有一致的走向，即形成了定向纤维。受到纺丝孔往返运动造成的气流变化的影响，少数纤维的走向会偏离定向纤维的走向，该部分纤维的占比通常小于20%。3D打印可便于形成表面呈波浪形的石墨烯层。由该方法制备得到的具有上述技术特征的石墨烯蒸发结构可避免热能被隔热板周围的液体耗散的问题，可提高热能对液体的蒸发效率。

附图说明

图1示出了实施例一提供的石墨烯蒸发结构的示意图。

图2示出了实施例二提供的石墨烯蒸发结构沿长度方向纵剖的示意图。

图3示出了实施例三提供的石墨烯蒸发结构的轴测图。

图4示出了实施例三提供的石墨烯蒸发结构沿宽度方向纵剖的示意图。

图5示出了含有定向纤维的纤维层的电镜视图。

具体实施方式

应理解的是，本说明书中记载的“上”、“中”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”，以及类似的指示方位的字词均旨在便于理解本申请的实施方式，而不是对本申请所要求的保护范围的限制。例如：“上方”可以是直接接触的上方，也可以是非直接接触的上方，其间也可有其他结构。“或”表示择一或并列选择的关系。

以下通过实施例来对本发明的方案做具体说明。

说明书附图中的附图标记包括：隔热板1、石墨烯纤维层2、石墨烯纤维21、吸水纤维层3、吸水纤维31。

实施例一

如图1所示，实施例一提供了一种石墨烯蒸发结构，包括水平设置的隔热板1、位于隔热板1上表面的石墨烯纤维层和位于隔热板1的一侧表面（面积最小的侧面，即宽边和高边形成的侧面）的吸水纤维层。石墨烯纤维层由若干个石墨烯纤维21组成，吸水纤维层由若干个吸水纤维31组成。吸水纤维31的上缘延伸到隔热板1上表面并与石墨烯纤维21相连，在相连的部分，吸水纤维31或由吸水纤维31形成的吸水纤维束与石墨烯纤维21或由石墨烯纤维21形成的石墨烯纤维束间隔排列，如图1的示意图所示。吸水纤维31的下缘延伸到隔热板1的下方。隔热板1为硬泡聚氨酯板，其密度小于水的密度，使该石墨烯蒸发结构可漂浮于水面。隔热板1的尺寸为30cm×20cm×2cm。石墨烯纤维层和吸水纤维层均含有80%以上的定向纤维，石墨烯纤维层和吸水纤维层连接处的定向纤维的走向一致，均沿着隔热板的长度方向。图5示出了含有定向纤维的纤维层的电镜视图。石墨烯纤维的细度为0.5μm～1.5μm。优选地，细度为1μm。石墨烯纤维层中的纤维均匀分布，各部分的面密度大致相同。

用于形成石墨烯纤维层的材料包括石墨烯浆料和亲水成纤维聚合物。石墨烯浆料的溶剂为水，该亲水成纤维聚合物为纳米纤维素。石墨烯浆料中的石墨烯在石墨烯纤维中的质量比为3%～8%。优选地，该质量比为3%。石墨烯分散液含有小片层石墨烯，其横向尺寸在1μm以下。石墨烯纤维层和吸水纤维层的纤维密度大致相同。

制备方法：

步骤一：制备石墨烯纤维纺丝液和吸水纤维纺丝液。具体地，将石墨烯浆料与纳米纤维素水悬浮液均匀混合，以100W的功率超声处理10min-20min，使石墨烯均匀分散，制得石墨烯纤维纺丝液。吸水纤维纺丝液为纳米纤维素水悬浮液。

步骤二：纺丝形成单层吸水纤维。具体地，将吸水纤维纺丝液装入静电纺丝罐中，电压设为30kV，收集距离为10cm。倾斜放置隔热板，使隔热板上表面与水平面呈30度～60度的夹角；优选地，该夹角为45度角。如此设置，可使得隔热板的前侧面向上露出，便于吸水纤维的纺丝液顺利落到隔热板的前侧面及其相邻上表面的部分区域。纺丝时，沿隔热板上表面的宽度方向以每秒1cm的速度匀速移动隔热板，在隔热板的一侧表面及其相邻上表面的1cm～2cm宽的区域内形成一层0.5μm～2μm厚的吸水纤维；优选地，该厚度为1μm，使单根纤维几乎无重叠，且单根纤维的走向与隔热板上表面的长度方向大致一致，然后关闭纺丝孔。

步骤三：纺丝形成单层石墨烯纤维。改变隔热板放置的角度，使隔热板的上表面处于水平位置。采用与形成吸水纤维相同的方法，在隔热板的上表面形成一层0.5μm～1.5μm厚的石墨烯纤维，使单根石墨烯纤维几乎无重叠，石墨烯纤维与吸水纤维之间大部分为间隔分布，可能存在少量重叠的纤维。

优选地，也可以先形成一层石墨烯纤维，再形成一层吸水纤维，使吸水纤维落在石墨烯纤维间的空隙中。

重复步骤二和步骤三20～25次。纺丝时，移动隔热板的速度降低为每秒0.5cm，依次再形成多层吸水纤维和多层石墨烯纤维。多层吸水纤维重叠后形成吸水纤维层，多层石墨烯纤维重叠后形成石墨烯纤维层。用水冲洗后干燥石墨烯纤维层和吸水纤维层，即得所述石墨烯蒸发材料。

实施例二

如图2所示，与实施例一的不同之处在于，

（1）隔热板为二氧化硅气凝胶，尺寸为50cm×30cm×3cm，隔热板的上表面和两个面积最小的侧面（即30cm×3cm的两个侧面，即隔热板的前侧面和后侧面）均具有若干盲孔，盲孔内填充有纳米纤维素。盲孔的开口面积小于开口以下部分的横截面积，形成上小下大的圆台形盲孔，其上下两面均为圆形，上面圆形的直径小于下面圆形的直径，沿两圆圆心连线的纵剖面为等腰梯形。盲孔的成形方式可以为在隔热板表面进行除料，例如钻孔，从而形成该圆台形的盲孔；

（2）吸水纤维层的下缘与隔热板侧表面下缘齐平，吸水纤维层的主体位于隔热板的前侧面和后侧面，使石墨烯纤维层的两侧均在隔热板上表面的宽边附近与吸水纤维层相连；

（3）石墨烯纤维的细度为15μm～20μm；

（4）石墨烯在石墨烯纤维中的质量比为4%；

（5）石墨烯分散液含有中片层石墨烯和小片层石墨烯，中片层石墨烯的横向尺寸为10μm～15μm，小片层石墨烯的横向尺寸在1μm以下，中片层石墨烯和小片层石墨烯的比例为1:1；

（6）石墨烯纤维层的纤维密度大于吸水纤维层的纤维密度。

制备方法中的区别在于，

（1）把含有中片层和小片层的石墨烯分散液与纳米纤维素水悬浮液均匀混合，以100W的功率超声处理25min，使石墨烯均匀分散，制得石墨烯纤维纺丝液；

（2）纺丝前先将隔热板的上表面水平放置，在该面的盲孔内填充纳米纤维素纺丝液，干燥成形；填充前侧面上的盲孔时将前侧面水平放置，填充后侧面上的盲孔时将后侧面水平放置；

（3）形成上层石墨烯纤维层时，移动隔热板的速度为每秒0.3cm；

（4）形成前侧面的吸水纤维层时，把隔热板的前侧面倾斜至与水平面呈45度角，形成后侧面的吸水纤维层时，把隔热板的后侧面倾斜至与水平面呈45度角；

（5）干燥成形后，剪掉吸水纤维层超出隔热板下缘的部分。

实施例三

如图3和图4所示，与实施例二的区别在于，

（1）在石墨烯纤维层2和吸水纤维层3的连接处，石墨烯纤维层2位于吸水纤维层3的上方，即石墨烯纤维层2的下表面贴合吸水纤维层3的上表面，吸水纤维层3位于石墨烯纤维层2和隔热板1之间；

（2）亲水成纤维聚合物为壳聚糖，壳聚糖用三氟乙酸溶解；

（3）石墨烯纤维的细度为12μm～18μm；

（4）隔热板1为酚醛板，尺寸为35cm×10cm×3cm；

（5）石墨烯在石墨烯纤维中的质量比为5%；

（6）中片层石墨烯和小片层石墨烯的比例为1:2；

（7）石墨烯纤维层的上表面沿垂直于定向纤维的走向纵剖的剖面呈波浪形，波浪形的波峰到波谷的高度为1mm，相邻波峰之间的宽度为10mm，石墨烯纤维层的成形方式为3D打印。

制备方法中的区别在于，

（1）把石墨烯水分散液与壳聚糖的三氟乙酸溶液均匀混合，以100W的功率超声处理20min，使石墨烯均匀分散，制得纺丝液；

（2）先形成吸水纤维层，隔热板的移动速度为每秒0.4cm，然后形成石墨烯纤维层，隔热板的移动初始速度为每秒0.5cm，设定3D打印程序，使隔热板在开始形成波形时减慢速度，使该处重叠更多纤维，增加厚度，直到形成波峰时速度降到最低，使波峰处的厚度最大，然后再逐渐加快速度，使厚度逐渐减小，速度最快时形成波谷区域。

实施例四

与实施例三的区别在于，

（1）石墨烯纤维的细度为10μm～17μm；

（2）隔热板为玻璃棉板，尺寸为20cm×5cm×3cm；

（3）石墨烯在石墨烯纤维中的质量比为6%；

（4）中片层石墨烯和小片层石墨烯的比例为1:3；

（5）石墨烯纤维层上表面的波浪形的波峰到波谷的高度为0.5mm，相邻波峰之间的宽度为7mm。

制备方法中的区别在于，超声处理25min制得纺丝液，其余步骤同上。

实施例五

与实施例四的区别在于，

（1）石墨烯纤维的细度为8μm～15μm；

（2）隔热板为泡沫玻璃保温板，尺寸为20cm×3cm×2cm；

（3）石墨烯在石墨烯纤维中的质量比为8%；

（4）中片层石墨烯和小片层石墨烯的比例为1:5；

（5）石墨烯纤维层上表面的波浪形的波峰到波谷的高度为0.1mm，相邻波峰之间的宽度为5mm。

制备方法中的区别在于，超声处理30min制得纺丝液；其余步骤同上。

以上对本发明的实施方式作了详细说明，所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明并不限于上述实施方式。应指出的是，对所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的发明构思的前提下，在所属技术领域的技术人员具备的知识范围内，还可以作出各种变化和改进。这些也应视为落入了本发明的保护范围，这些都不会影响本发明的可专利性和实施效果。本发明省略描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。