柔性光热TI2O3-PVA纳米复合材料的制备与表征外文翻译.docx

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1、近年来，柔性光热器件在许多领域受到了广泛的研究。在这项工作中，基 于Ti2O3-PVA的柔性光热纳米复合薄膜被证明可以将太阳光转化为热能。分别 用四种外表活性剂（Y-氨基丙基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲基溟化筱、硬脂 酸、Tween-80）对言2。3纳米粒子进行外表改性，然后采用简单的溶液铸造法制 备纳米复合材料。柔性复合材料在宽光谱范围内（300nm-2（）00nm）表现出高效的 光吸收。在5kw/m2模拟太阳光照射下，纳米复合材料可快速升温至64.1C。 经过数十次弯曲试验，纳米复合材料性能稳定，具有良好的柔韧性。结果说明， 硬脂酸修饰的氧化钛纳米粒子纳米复合材料表现出最强的光吸收能力，因此

2、光 热效果最好。这种柔性复合材料在可穿戴电子设备、太阳能蒸汽发生器或海水 淡化器等光热能量收集设备中具有广阔的应用前景。关键词：二氧化钛，纳米粒子，柔性纳米复合材料，光热.引言可穿戴式应变传感器、可降解电子芯片、可折叠超级电容器等都是柔性器 件的主要应用领域，因此对柔性器件的需求很大。另一方面，光热效应可将吸 收的光能转化为热，有望用于癌症光热治疗、能量收集、海水淡化等。在过去 的几年里，在高效光热材料、增强光吸收和热管理的新型微结构设计、防油污 和多相液体别离、水态操作和潜热回收、盐离子耗散等方面取得了不小的成就。 尽管新型光热材料的开发受到了越来越多的关注，但为了将该技术从实验室推 广到工

3、业，解决局部热传导、蒸汽冷凝、盐离子去除等问题对于提高热效率和 产水率也非常重要。最近，通过外表和微观结构工程解决海水淡化的防污/防 渗问题取得了进展。同时，从实际应用的角度探讨了不同海水淡化装置/系统 的评价标准。近年来，柔性光热器件也引起了广泛的关注。然而，整个太阳光 谱（紫外到红外）的稳定性和光吸收能力较差是其实际应用的主要障碍。无机-有机杂化纳米复合材料已广泛应用于柔性光热器件中。无机填料一 般具有光热性能，而聚合物基体使复合材料具有较高的柔韧性。值得注意的是， 外表活性剂通常通过减少界面空隙来改善无机填料与聚合物基体之间的界面， 这有利于改善无机填料的力学性能和热传导能力等。光吸收材

4、料的高吸光率是实现高光热效率的关键。通常，光与光热材料相 互作用，通过等离子体局部加热（金属）、非辐射弛豫（半导体）或分子热振动（碳 基材料）产生热能。外表处理是获得高质量纳米复合材料的关键。近年来，人 们对聚合物、金属、金属氧化物、碳基材料、金属硫化物等在宽太阳光谱上具 有高吸光性的纳米材料进行了深入研究。其中，Zhang等人将聚合光热材料氟 烷基硅烷改性聚喷咯(PPy)沉积在不锈钢(SS)衬底上，在模拟太阳光(1 kW/m2) 照射下，在PPy涂层的SS网面上温度到达了 55。Politano等人将Ag纳米 粒子(NPs)加入到微孔聚偏氟乙烯(PVDF)膜中，当在366 nm紫外光照射(5

5、00 W)时，外表温度显著提高至54.3。Zhang等人用十二烷基硫酸钠(SDS)修饰 Fe3O4纳米颗粒，其外表温度在808 nm激光(4 W/cn?)照射下提高到68。尽管取得了一些进展，但这些材料仍存在一些缺点，如对太阳光谱的吸收 有限，老化导致的不稳定性，以及难以大规模生产等。此外，这些研究大多集 中在如何设计光热复合材料的微观结构，而对无机填料外表处理对光热性能的 影响研究较少。最近发现，TizCh在200 nm-2500 nm范围内具有较高的光吸收 (90%以上)，这是由于其超窄带隙(光0.1 eV),并且其光热效率高达92.1%。在 目前的工作中，我们选择二氧化钛纳米粒子作为无机

6、填料柔性光热复合材料。 选用聚乙烯醇(PVA)作为聚合物基体，因为其易于加工、耐化学性好、透明度 高。此外，PVA的导热系数较低，有利于蓄热。采用简单的溶液铸造法制备 柔性光热Ti2O3-PVA纳米复合材料。在与PVA基体混合前，用四种外表活性 剂对Ti2O3纳米粒子进行外表改性，即丫 -氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、十六 烷基三甲基淡化铉(CTAB)、硬脂酸(SA)和Tween-80。纳米复合材料在5 kW /m2 的紫外可见光模拟光源照射下，具有良好的光吸收性能，外表温度可达64.1o 根据吸收和光热温度测试结果，发现SA外表活性剂对柔性光热Ti2O3-PVA复 合材料最有效。结果说明

7、，该Ti2O3-PVA纳米复合材料在可穿戴式光热加热 器、太阳能蒸汽发生器、海水淡化器等领域具有广阔的应用前景。1 .实验细节纳米复合材料的制备采用球磨法制备了氧化钛纳米粒子。采用直径为().1 mm的氧化错球进行 球磨，氧化错球与Ti2O3粉末的体积分数为25:1。铳削速度固定在600转/分。 在球磨过程的一个周期内，机器连续运行30min,然后停止5min,铳削时间 设置为60 h。将得到的Ti2O3纳米粒子(2g)加入到盛有30 g丙酮的烧杯中，超声处理 30 mino 将 KH550 (0.2 g)、CTAB (0.2 g)和 Tween-80 (0.2 g)三种不同的外表活 性剂分别

8、溶于2()g去离子水中。然后将溶液搅拌10分钟，直到这些外表活性 剂完全水解(KH550)或溶解(CTAB和Tween-80)。将SA 0.2 g溶于20 g无水乙 醇中搅拌lOmin,将四种外表活性剂溶液各加入少量的纳米颗粒混合物，装入 100 ml沃尔夫瓶中。然后将混合溶液在70回流10小时。将混合物离心，收 集沉淀，随后用蒸储水洗涤两次以去除多余的外表活性剂。然后将外表修饰的 Ti2O3纳米粒子在60 下干燥6 ho分别用 KH550 (5 wt%、15 wt%、25 wt%、35 wt%和 45 wt%),或 CTAB、 SA、Tween-80 (5 wt%)改性Ti2O3纳米粒子0.

9、4 g。将粉末混合物分散于8g蒸 储水中，在70下搅拌2h,然后超声30 min。将溶液倒入玻璃培养皿中。培 养皿在室温下保存3天，直至混合溶液完全干燥。然后将薄膜剥离，在60 下真空干燥2小时。所有这些处理步骤都在图1中进行了总结。stepl. ball milling step2. predispersion step3. refluxstep4. mixingflexible nanocomposite step7. peel offstep6. dryingstep5. sonication图.1 .Ti2O3-PVA纳米复合材料制备工艺示意图.结果与讨论3. 1微观结构Ti2O3纳米

10、粒子和纳米复合材料的TEM和SEM如图3所示。由图3(a) 可知，Ti2O3纳米粒子的平均粒径约为74 nm。纳米粒子呈多面体形状，Ti2O3 纳米粒子团聚严重。图3(a)中所示的选区电子衍射图说明，Ti2O3纳米粒子是 局部非晶态的。图 3(b)3(f)分别是 KH550 (5 wt%、15 wt%、25 wt%、35 wt%和 45 wt%) 改性Ti2O3-PVA纳米复合材料的SEM显微图。可观察到，2。3纳米粒子以较 低含量均匀地分散在PVA基体中(5 wt%, 15 wt%, 25 wt%),如图3(b) 3(d) 所示。在较高填充分数(235 wt%), Ti2O3纳米粒子开始聚集

11、在一起，如图3(e) (f)所示。(a)10450nm012 010图.3.Ti2O3纳米粒子的TEM显微图和选区电子衍射图(a)。KH55O改性TizCh纳米粒子后 TizCh-PVA 纳米复合材料的 SEM 显微图(b)、15 wt% (c)、25 wt% (d)、35 wt% (e)和 45 wt% (f)o和 45 wt% (f)om图.4.用 KH550 (a) CTAB (b)、SA (c)和 Tween-80 (d)改性 5 wt% TizCh 纳米粒子的Ti2O3-PVA纳米复合材料的SEM显微图。当Ti2O3纳米颗粒填充比例为5%时，不同外表活性剂修饰Ti2O3纳米颗 粒的纳

12、米复合材料的外表SEM图像如图4所示。可见，经KH550、CTAB和 SA处理后的Ti2O3纳米粒子均匀地分散在PVA基体中。而Tween-80改性后 的Ti2O3纳米粒子团聚现象严重，如图4(d)所示。结果说明，KH550、CTAB 和SA能有效分散Ti2O3纳米粒子于PVA聚合物基体中。前人研究说明，纳米粒子外表通常存在羟基、氧空位和不同价态的 钛离子。这些活性基团和缺陷具有较高的反响活性，导致各种有机外表活性剂 容易对2。3纳米粒子进行外表改性。3.2XRDTi2O3粉末、球磨Ti2O3纳米颗粒、Ti2O3-PVA纳米复合材料的XRD谱 图如图5所示。接收到的Ti2O3粉末的X射线衍射谱

13、图可以基于三角刚玉结 构，具有R3 c空间群，如图5(a)所示。然而，球磨后的Ti2O3纳米粒子的衍 射峰均有所展宽，如图5(b)所示。球磨后Ti2O3纳米粒子的主要峰(012)、(104) 和(116)分别在 23.81。、33.06。和 53.77。处移动到较高的 20 值(23.84。、33.27 和53.84。)。这可能与球磨过程中产生的内应力有关。球磨后的Ti2O3纳米粒子(012)、(104)和(1后)主峰的半峰全宽(FWHM)分 别从接收时的 0.097。、0.127。、0.144。增加到 0.476。、0.503。、0.841。Ti2O3 纳米粒子的平均尺寸是由主要衍射峰的FW

14、HM使用Scherrer方程确定的 (D=0.9X / pcosG,入:入射X射线的波长,0:布拉格衍射角,0:样品衍射峰半高宽 度,0.9:Schereer常数,D:垂直于晶面方向的平均厚度)，计算后约为17.4nm。 Ti2O3纳米粒子的非理想球形(影响Scherrer方程中的Scherrer常数)、局部非 晶态、内部应变/应力等因素都可能影响根据XRD峰的FWHM计算出的粒子 尺寸的准确性。填充率为45 wl%的Ti2O3-PVA纳米复合试样无衍射峰，如图5(c)所示。 这可能是来自嵌入口2。3纳米粒子的衍射可能太弱，导致该纳米复合材料中没 有衍射峰。X4is=203040506020图

15、.5.XRD谱图分别为接收态TizCh粉末(a)、球磨态TizCh纳米颗粒3)和填充率为45 wt%的Ti2O3-PVA纳米复合材料(c)。4. 1结论采用简单的溶液铸造法制备了柔性光热纳米复合材料。系统研究了填料含 量和外表活性剂对薄膜微观结构、紫外-红外吸收、光热性能和热性能的影响。 在较低的填充量(低于25 wt%或6.6 vol%)下，口2。3纳米粒子可以很好地分散 在PVA基体中。即使填充比为5 wt% (1.4 vol%),纳米复合材料在整个测量范 围(300 nm-2000 nm)中也表现出比纯PVA聚合物(90%)。 经SA改性的Ti2O3纳米粒子填充比为5 wt%的纳米复合材料具有较高的紫外- 红外吸收和导热性能，在模拟阳光照射(5 kW/n?)下，其外表温度到达64.1 0 研究结果说明，这种Ti2O3-PVA柔性光热纳米复合材料可应用于可穿戴式光 热加热器、太阳能蒸汽发生器、海水淡化器等领域。