关键词：
纺织编织技术
光热蒸发
碳纤维
仿生结构
摘要：
淡水资源短缺已成为阻碍现代文明可持续发展的严重问题。界面太阳能蒸汽发生（ISSG）系统通过光热转换在材料表面产生热量用于海水淡化,已被证明是有希望投入实际应用。纤维材料具有独特的柔韧性、耐久性、加工性、实用性和多功能性,在ISSG领域引起了相当大的关注。本文以碳纤维作为光吸收材料,天丝纤维作为供水材料,利用成熟的纺织编织工艺将两者的特性相结合,制备了耦合光热及电热的复合编织织物和仿生树型纤维骨架的蒸发器件,并通过扫描电镜、3D显微镜、紫外-可见-近红外光谱仪等测试仪器对蒸发器件的基本情况进行表征,探究其光热转化蒸发性能、拒盐性能、应对恶劣环境等能力,研究内容如下:
（1）在本章研究中,将碳纤维与天丝进行混编,所制得的复合编织纱线具有高光热转化性能和良好的柔性,可盘绕成蚊香状作为蒸发器件。在混编中加入电热丝后,对其结构与性能并无影响,可通过纺织技术编织成复合编织布并作为蒸发器件。天丝经PPy涂层后与碳纤维编织成的复合纱线能进一步加工成仿生树型纤维骨架,通过模仿树木的结构层次来进行太阳能蒸发。虽然PPy涂层对天丝的吸水量略有影响,但并不影响其在光热过程中对仿生树型纤维骨架的供水。依托于成熟的纺织工艺,复合纱线可以进行低成本的生产,用于满足不同尺寸的复合编织蒸发器件的尺寸。
（2）在本章研究中,将碳纤维/天丝复合编织织物应用于具有上级光热转换能力的海水淡化技术中。通过调节编织工艺参数,可调节其脱盐性能。由于碳纤维中的水保持在毛细状态,因此水分更容易形成团簇从而蒸发,因此将水从复合织物中蒸发所需的能量更少。在1个太阳光强的照射下,平均蒸发速率和蒸发效率分别为1.84 kg·m-2·h-1和88.8%。当施加少量电力（3V）时,编织织物的蒸发速率保持在1.88 kg·m-2·h-1以上,并且在白天实现了上级脱盐性能。在全天连续运行的情况下,大部分有机物、金属离子和污染物被有效地去除,满足WHO饮用水标准。
（3）在本章研究中,受生物启发的仿生树型纤维骨架（BCFF）,灵感来自自然树木的生态结构,采用光热转化性能好的碳纤维和经聚吡咯涂层后亲水的天丝,通过纺织编织技术,设计了一种新型的光热碳纤维复合材料。通过模拟树干粗壮、树叶繁茂的树木形态,调控BCFF的微观/宏观结构分布和光照面积。BCFF通过分布式光热转换在一个太阳光强照射下表现出4.58 kg·m-2·h-1的高蒸发率。重要的是,考虑到由于供水和蒸汽蒸发不平衡而导致的盐沉积,提出了合理的BCFF设计,以实现稳定的脱盐。实验结果表明,BCFF可以实现稳定的太阳能蒸发拒盐,即使在质量分数为15%的盐水在运行几个周期。此外,拒盐和净化性能在实际环境中具有竞争力,每日水收集量超过20 L·m-2。
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