一种贯穿式碳纤维织物及其制备方法和应用与流程

本发明属于纺织技术领域，涉及一种贯穿式碳纤维织物及其制备方法和应用，具体涉及一种贯穿式碳纤维织物及其制备方法和在太阳能蒸汽生成方面的应用。

背景技术：

太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源。现阶段，对于太阳能的开发已经涉及到各个领域，例如太阳能发电、光热灭菌以及废水处理等。在废水处理的领域中，太阳能水蒸馏技术被广泛应用，在全球淡水危机的大环境下，利用太阳能将废水中的水进行提纯分离的技术可以使淡水危机的境况得到一定程度的缓解。现阶段，在太阳能水蒸馏技术的研究中，多采用光热转化手段实现水蒸气产生。其中，在光热材料的选择上，具有高效光热转换性能的纳米金属颗粒、石墨烯材料、纳米流体以及碳基材料都成为所应用的对象，同时也结合了众多优良结构的设计。但仍然存在造价昂贵、结构强度低、易于污染以及太阳能利用不充分等缺陷，尤其是太阳能所转换成的热能随水分流失的缺陷，严重的制约了该项技术的应用。

因此，研究一种价格相对低廉、结构强度高、无污染并且能够通过水分管理从而实现更大程度地利用太阳能资源的结构是亟待需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种贯穿式碳纤维织物及其制备方法和应用。本发明提供的一种贯穿式碳纤维织物，其可以实现液态水经由碳纤维毛经从织物的一面将水分输送至织物的另一面。碳纤维毛经将太阳能转换为热能使得处于其中的水溶液转换为水蒸气。而与碳纤维毛经接触的碳纤维纬纱同样会附带一定水分，其在太阳光的照射下，同样会有一定量的水蒸气产生，但其自身的疏水性结构阻碍了其将水分运送至碳纤维地经中去，故碳纤维地经在太阳光照射下产生的热能会传递到碳纤维纬纱和更易于水分蒸发的碳纤维毛经中去，加速水蒸气的产生。通过对毛经数量及高度的设计，可以达到水蒸发与水运输的平衡，保证太阳能的有效利用。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种贯穿式碳纤维织物，由碳纤维地经、碳纤维纬纱和碳纤维毛经组成，碳纤维地经与碳纤维纬纱相互交织，很少一部分会与碳纤维毛经接触，碳纤维毛经与碳纤维纬纱交织并贯穿碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的上下表面，且在上下表面都存在一定高度；

所述碳纤维毛经上方进行剪断处理设置为v型，织物上方的毛经有一定的倾斜角，可以实现太阳光在v型毛经处连续向织物方向反射，而减少太阳光向织物外反射所造成的能量损失；v型毛经的上方做剪断处理还可以使得毛经的顶端更加松散，使水分更易于蒸发，而织物在使用时v型毛经的底端是接触水溶液的，其不剪断可以保证结构不松散而使得单丝间的孔隙能够维持更好的毛细效果；

碳纤维地经和碳纤维毛经为经液相氧化处理(此外等离子刻蚀法、化学接枝法等不用添加其他物质而使其达到提高表面粗糙度的方法也同样适用于本发明)的高强高模碳纤维(碳纤维地经和碳纤维毛经做液相氧化处理，主要是使其表面可以有更多微小凹槽，可以减少太阳光的向外反射，达到吸收更多太阳能的效果)，碳纤维纬纱为未经处理的高强高模碳纤维，其表面光滑且致密，有很强的疏水性，从而能够很大程度地减少水分的传输。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种贯穿式碳纤维织物，所述碳纤维织物在一个标准模拟太阳光照条件下，蒸发水量为0.98～1.06kg/(m²·h)。

如上所述的一种贯穿式碳纤维织物，未经处理的高强高模碳纤维的弹性模量为200～1000gpa，拉伸强度为2～4gpa，弹性模量和拉伸强度都由材料在拉伸试验中的应力应变曲线计算得到，经液相氧化处理后高强高模碳纤维的损伤非常小，几乎可以忽略不计。

如上所述的一种贯穿式碳纤维织物，所述液相氧化处理中的液相为质量浓度60～70％的浓硝酸，还可以为酸性重铬酸钾溶液、次氯酸钠溶液或过氧化氢溶液。

如上所述的一种贯穿式碳纤维织物，碳纤维毛经的数量(一个v即一根毛经)＝2/3×地经数量×((纬纱数量-1)/2)，毛经数量过多会造成毛经吸收水分速率超过蒸发速率，造成不必要的浪费，碳纤维毛经穿出碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的上表面的高度为5mm～2cm，毛经高度过高会使其毛经最上端的水分无法被输送上，需要根据所选用的碳纤维经处理后的物理性能进行调整，毛经穿出高度处于5mm～2cm即可保证水分都可以被输送到。

本发明还提供了制备如上所述的一种贯穿式碳纤维织物方法，采用机织工艺；织造前，经纱中地经和毛经的数量比为1:1，地经置于织轴a上，毛经置于织轴b上；

具体织造过程为：地经与纬纱以1:1的数量关系按照平纹组织进行织造，织造过程中，将地经与毛经置于综平位置，首先将所有毛经提起，在织口处置入一长方形金属片，织轴b输送的毛经长度为金属片宽度的两倍，金属片的下表面与综平位置平齐，再按照所设置织物组织结构提起一半地经(此处设置地经与纬纱交织的是平纹组织，故间隔提起一半地经)，织入一根纬纱，随后将地经和毛经置于综平位置，然后将另一半地经提起，同时输送长度为金属片宽度两倍的毛经，在织口置入相同规格金属片，金属片的上表面与综平位置平齐，织入一根纬纱后，地经返回至综平位置，依次循环织造，织造完成后切断织物上方与金属片相交处的毛经，并取出所有的金属片。

作为优选的技术方案：

如上所述的方法，织造过程中，每分钟纬纱织入的根数为10～20，织物的经向紧度和纬向紧度为60～70％，毛经起圈高度为5mm～2cm。

本发明还提供了如上所述的一种贯穿式碳纤维织物的应用，用于太阳能蒸汽生成；

将所述贯穿式碳纤维织物中碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的边缘区域固定于辅助漂浮物上，将辅助漂浮物的底端置于溶液中，此溶液可以是海水、污染水或者其它类水溶液；通过控制织物的重量使织物和辅助漂浮物的重力之和小于等于水的升力，从而使得辅助漂浮物可以漂浮在水面上；

碳纤维毛经穿出碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的高度大于辅助漂浮物的厚度。

作为优选的技术方案：

如上所述的应用，所述辅助漂浮物为ps(聚苯乙烯)泡沫板，尺寸略小于织物，为“回”字型结构。

如上所述的应用，所述辅助漂浮物的厚度为2mm～1cm。

将辅助漂浮物的底端置于所要处理的溶液中，此溶液可以是海水、污染水或者其它类水溶液，因碳纤维毛经穿出碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的高度大于辅助漂浮物的厚度，故碳纤维毛经浸入至所要处理的溶液中，而织物的其它区域都不与水溶液接触。又因碳纤维毛经为经液相氧化处理的高强高模碳纤维，其表面含有众多亲水基团且具有众多微小沟槽，使得亲水性大大增加，因毛细作用，液态水会在短时间内经由碳纤维毛经的底端输送至顶端。同时因为碳纤维毛经的主要成分为碳，且其碳纤维表面的微小沟槽在增大了比表面积同时也减少了太阳光的反射，故可以吸收更多的太阳能并转化为热能，碳纤维毛经中所吸收的液态水会因受到加热作用转换为气态，而碳纤维毛经的底端始终与水溶液接触，液态水分可以源源不断输送，水蒸气可以连续产生。

碳纤维纬纱采用的是未经处理的高强高模碳纤维，纤维表面结构光滑且致密，有很强的疏水性，其虽与碳纤维毛经交织在一起，但其只能吸附少量水分，也几乎不能将水分传递至碳纤维地经中去。在太阳光的照射下，碳纤维毛经产生的热能将其所储存的液态水溶液转化为气态水，热能的转化也促使碳纤维毛经温度的降低，同时碳纤维毛经的热能也会有部分传递至所处理的水溶液中去，同样使得碳纤维毛经的温度降低。碳纤维纬纱同样处于太阳光照射下，但其表面光滑，太阳光反射较多，热能转换效率低于经液相处理后的碳纤维，而其因与碳纤维毛经接触，而带有少量液态水，处于其中的液态水亦会少量转换为气态水，而碳纤维纬纱表面的温度同样会有一定程度的下降。碳纤维地经几乎只与碳纤维纬纱接触，碳纤维纬纱与碳纤维毛经交织处含有少量液态水，其余区域几乎不含液态水，故其只能传递极少量液态水至碳纤维地经中，碳纤维地经经过液相氧化处理，其表面有更多微小凹槽，可以减少太阳光的向外反射，达到吸收更多太阳能的效果，在持续的太阳光照射下，碳纤维地经表面的温度远高于碳纤维纬纱和碳纤维毛经，故热能会传递至碳纤维纬纱中去，并经碳纤维纬纱传递至碳纤维毛经中去，加速碳纤维毛经中液态水的蒸发。

有益效果：

(1)本发明的一种贯穿式碳纤维织物的制备方法，碳纤维本身结构稳定、无污染，在海水淡化的过程中也不会释放任何有污染性的物质；

(2)本发明的一种贯穿式碳纤维织物，可以将溶液中的水分输送至织物表面，而织物中的碳纤维可以将吸收的太阳能转化成的热能，因纬纱的疏水特性，所吸取的水分大部分集中于易于蒸发的毛经处，而其余经纱可以最大程度的将吸收太阳能转化为热能并经纬纱传递至毛经上以达到蒸发水分的效果。本发明可以实现液态水分布区域的控制，还可以在不进行光热材料减少以及降低水溶液吸附的条件下，达到水蒸发和水运输的平衡，并实现太阳能的高效利用。

附图说明

图1为本发明的一种贯穿式碳纤维织物与辅助漂浮物结合后的整体示意图；

图2为本发明的一种贯穿式碳纤维织物与辅助漂浮物结合后的侧视图；

其中，1-碳纤维地经，2-碳纤维纬纱，3-碳纤维毛经，4-辅助漂浮物。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种贯穿式碳纤维织物的制备方法，采用机织工艺，具体步骤如下：

(1)原料准备：碳纤维地经和碳纤维毛经为经质量浓度60％的浓硝酸氧化处理的高强高模碳纤维(模量为190gpa，强度为1.98gpa)，碳纤维纬纱为商用高强高模碳纤维(模量为200gpa，强度为2gpa)；

(2)织造前，经纱中地经和毛经的数量比为1:1，地经置于织轴a上，毛经置于织轴b上；

(3)地经与纬纱以1:1的数量关系按照平纹组织进行织造，织造过程中，将地经与毛经置于综平位置，首先将所有毛经提起，在织口处置入一长方形金属片，织轴b输送的毛经长度为金属片宽度的两倍，金属片的下表面与综平位置平齐，再提起一半地经，织入一根纬纱，随后将地经和毛经置于综平位置，然后将另一半地经提起，同时输送长度为金属片宽度两倍的毛经，在织口置入相同规格金属片，金属片的上表面与综平位置平齐，织入一根纬纱后，地经返回至综平位置，依次循环织造，织造完成后切断织物上方与金属片相交处的毛经，并取出所有的金属片；其中，每分钟纬纱织入的根数为10，织物的经向紧度和纬向紧度为60％，毛经起圈高度为3mm。

最终制得的的贯穿式碳纤维织物，如图1和2所示，由碳纤维地经1、碳纤维纬纱2和碳纤维毛经3组成，碳纤维毛经为v型，碳纤维毛经的数量＝1/3×地经数量×((纬纱数量-1)/2)；碳纤维地经与碳纤维纬纱相互交织，碳纤维毛经与碳纤维纬纱交织并贯穿碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的上下表面，且碳纤维毛经在上下表面都存在一定高度，碳纤维毛经穿出上、下表面的高度为3mm；碳纤维织物在一个标准模拟太阳光照射条件下，蒸发水量可以达到0.92kg/(m²·h)。

将上述制得的贯穿式碳纤维织物用于太阳能蒸汽生成，将贯穿式碳纤维织物中碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的边缘区域固定于辅助漂浮物4(厚度为1mm的“回”字型结构的ps泡沫板)上，将辅助漂浮物的底端置于海水中，碳纤维毛经穿出碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的高度大于ps泡沫板的厚度。

实施例2

一种贯穿式碳纤维织物的制备方法，采用机织工艺，具体步骤如下：

(1)原料准备：碳纤维地经和碳纤维毛经为经质量浓度65％的浓硝酸氧化处理的高强高模碳纤维(模量为480gpa，强度为2.9gpa)，碳纤维纬纱为商用高强高模碳纤维(模量为500gpa，强度为3gpa)；

(2)织造前，经纱中地经和毛经的数量比为1:1，地经置于织轴a上，毛经置于织轴b上；

(3)地经与纬纱以1:1的数量关系按照平纹组织进行织造，织造过程中，将地经与毛经置于综平位置，首先将所有毛经提起，在织口处置入一长方形金属片，织轴b输送的毛经长度为金属片宽度的两倍，金属片的下表面与综平位置平齐，再提起一半地经，织入一根纬纱，随后将地经和毛经置于综平位置，然后将另一半地经提起，同时输送长度为金属片宽度两倍的毛经，在织口置入相同规格金属片，金属片的上表面与综平位置平齐，织入一根纬纱后，地经返回至综平位置，依次循环织造，织造完成后切断织物上方与金属片相交处的毛经，并取出所有的金属片；其中，每分钟纬纱织入的根数为10，织物的经向紧度和纬向紧度为62％，毛经起圈高度为1cm。

最终制得的贯穿式碳纤维织物，由碳纤维地经、碳纤维纬纱和碳纤维毛经组成，碳纤维毛经为v型，碳纤维毛经的数量＝1/3×地经数量×((纬纱数量-1)/2)；碳纤维地经与碳纤维纬纱相互交织，碳纤维毛经与碳纤维纬纱交织并贯穿碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的上下表面，且碳纤维毛经在上下表面都存在一定高度，碳纤维毛经穿出上、下表面的高度为1cm；此碳纤维织物在一个标准模拟太阳光照射条件下，蒸发水量可以达到0.98kg/(m²·h)。

将上述制得的贯穿式碳纤维织物用于太阳能蒸汽生成，将贯穿式碳纤维织物中碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的边缘区域固定于辅助漂浮物(厚度为5mm的“回”字型结构的ps泡沫板)上，将辅助漂浮物的底端置于海水中，碳纤维毛经穿出碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的高度大于ps泡沫板的厚度。

实施例3

一种贯穿式碳纤维织物的制备方法，采用机织工艺，具体步骤如下：

(1)原料准备：碳纤维地经和碳纤维毛经为经质量浓度70％的浓硝酸氧化处理的高强高模碳纤维(模量为990gpa，强度为3.92gpa)，碳纤维纬纱为商用高强高模碳纤维(模量为1000gpa，强度为4gpa)；

(2)织造前，经纱中地经和毛经的数量比为1:1，地经置于织轴a上，毛经置于织轴b上；

(3)地经与纬纱以1:1的数量关系按照平纹组织进行织造，织造过程中，将地经与毛经置于综平位置，首先将所有毛经提起，在织口处置入一长方形金属片，织轴b输送的毛经长度为金属片宽度的两倍，金属片的下表面与综平位置平齐，再提起一半地经，织入一根纬纱，随后将地经和毛经置于综平位置，然后将另一半地经提起，同时输送长度为金属片宽度两倍的毛经，在织口置入相同规格金属片，金属片的上表面与综平位置平齐，织入一根纬纱后，地经返回至综平位置，依次循环织造，织造完成后切断织物上方与金属片相交处的毛经，并取出所有的金属片；其中，每分钟纬纱织入的根数为20，织物的经向紧度和纬向紧度为65％，毛经起圈高度为2cm。

最终制得的贯穿式碳纤维织物，由碳纤维地经、碳纤维纬纱和碳纤维毛经组成，碳纤维毛经为v型，碳纤维毛经的数量＝1/3×地经数量×((纬纱数量-1)/2)；碳纤维地经与碳纤维纬纱相互交织，碳纤维毛经与碳纤维纬纱交织并贯穿碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的上下表面，且碳纤维毛经在上下表面都存在一定高度，碳纤维毛经穿出上、下表面的高度为2cm；碳纤维织物在一个标准模拟太阳光照条件下，蒸发水量可以达到1.05kg/(m²·h)。

将上述制得的贯穿式碳纤维织物用于太阳能蒸汽生成，将贯穿式碳纤维织物中碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的边缘区域固定于辅助漂浮物(厚度为1cm的“回”字型结构的ps泡沫板)上，将辅助漂浮物的底端置于海水中，碳纤维毛经穿出碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的高度大于ps泡沫板的厚度。

实施例4

一种贯穿式碳纤维织物的制备方法，采用机织工艺，具体步骤如下：

(1)原料准备：碳纤维地经和碳纤维毛经为经过氧化氢溶液氧化处理的高强高模碳纤维(模量为750gpa，强度为3.2gpa)，碳纤维纬纱为商用高强高模碳纤维(模量为800gpa，强度为3.4gpa)；

(2)织造前，经纱中地经和毛经的数量比为1:1，地经置于织轴a上，毛经置于织轴b上；

(3)地经与纬纱以1:1的数量关系按照平纹组织进行织造，织造过程中，将地经与毛经置于综平位置，首先将所有毛经提起，在织口处置入一长方形金属片，织轴b输送的毛经长度为金属片宽度的两倍，金属片的下表面与综平位置平齐，再提起一半地经，织入一根纬纱，随后将地经和毛经置于综平位置，然后将另一半地经提起，同时输送长度为金属片宽度两倍的毛经，在织口置入相同规格金属片，金属片的上表面与综平位置平齐，织入一根纬纱后，地经返回至综平位置，依次循环织造，织造完成后切断织物上方与金属片相交处的毛经，并取出所有的金属片；其中，每分钟纬纱织入的根数为15，织物的经向紧度和纬向紧度为70％，毛经起圈高度为1.2cm。

最终制得的贯穿式碳纤维织物，由碳纤维地经、碳纤维纬纱和碳纤维毛经组成，碳纤维毛经为v型，碳纤维毛经的数量＝1/3×地经数量×((纬纱数量-1)/2)；碳纤维地经与碳纤维纬纱相互交织，碳纤维毛经与碳纤维纬纱交织并贯穿碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的上下表面，且碳纤维毛经在上下表面都存在一定高度，碳纤维毛经穿出上、下表面的高度为1.2cm；碳纤维织物在一个标准模拟太阳光照条件下，蒸发水量可以达到1.03kg/(m²·h)。

将上述制得的贯穿式碳纤维织物用于太阳能蒸汽生成，将贯穿式碳纤维织物中碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的边缘区域固定于辅助漂浮物(厚度为6mm的“回”字型结构的ps泡沫板)上，将辅助漂浮物的底端置于海水中，碳纤维毛经穿出碳纤维地经与碳纤维纬纱交织形成的组织的下表面的高度大于ps泡沫板的厚度。

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