CN108116022A - 一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜。将纳米碳化锆有机硅胶包覆，将聚乙二醇用二氧化硅气凝胶负载，配合云母粉形成了具有光热转化和储热恒温的功能粉，进一步封装在薄膜层间，从而实现了优异的光热转化、热储存、恒温功能，得到的薄膜在农业大棚、植被保温等方面具有极高的实用价值。

Description

一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜
技术领域
本发明涉及薄膜制备技术领域，具体涉及碳化锆改性的聚酰胺薄膜，特别是涉及一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜。
背景技术
随着人口的迅速增长，城市建设的快速发展和人们对生活质量要求的日益提升，能源消耗量的逐年增加，地球温室效应日益凸显，使得以额中能够再生能源和节能技术的开发与应用为核心的低碳技术成为世界各国能源发展的战略目标，人们一直在研究开发各种能够有效利用和节约能源的材料与技术，其中新型光热转换薄膜便是其中非常重要的一项。
目前，太阳能的能量利用主要有光热转换、光电转换、光化学转换3种方式，其中太阳能光热转换是目前世界范围内最普及的利用太阳能的一种形式。太阳能光热转换的基本原理是：通过设计选择性吸收材料及其结构将太阳辐射能收集起来，通过光与物质的相互作用转换成热能加以利用。但由于太阳能是一种低品质能源，能量密度较低，要想获得较高的光热转化效率，必须采用相应的技术和装置（如太阳光集热器）对太阳能进行采集。利用聚光（聚焦）集热技术，可以有效提升太阳能光热转换温度，从而提高太阳能集热系统的综合转换效率，实现在中高温领域的太阳能热利用。太阳光热转换薄膜便是基于金属纳米微粒、电解质复合薄膜或树脂为基础原料，添加转光剂或其他光热转换材料而成，广泛用于太阳能集热器或农用薄膜。
目前光热转换材料分为蓄热材料、导热材料、热电材料、集热材料等。其中碳化锆陶瓷纳米颗粒作为一种优秀光热转换材料，通常通过沉积在薄膜表面作为光热转换层，应用较为广泛。另外，目前在热能领域，多采用显热方式进行储能，采用一些相变材料，能够达到对热量的自动吸收和释放，使薄膜具有储热保温效果。国内外在光热转换及保温薄膜方面的研究已取得了一定进展。
中国发明专利申请号201410781438.8公开了一种隔热保温塑料薄膜，由下列原料组成：聚乙烯树脂、无机红外阻隔保温剂、流滴剂、分散剂、芳香胺类抗氧剂、Ca/Zn复合稳定剂、减雾剂。
中国发明专利申请号201410483547.1公开了一种动态阻隔红外线并防紫外线的PVB薄膜及其制备方法，其制备方法是将铯钨青铜复合纳米粒子通过溶剂分散，加入增塑剂中搅拌均匀，加入PVB树脂粉和微量改良剂，充分混合，将混合物料进行流延成膜，获得隔热防紫外线PVB薄膜。。
中国发明专利申请号201610330991.9公开了一种兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜及其制备与应用，复合薄膜包括基底及沉积在基底上兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，基底为具有多孔结构的微纳米薄膜，功能膜由兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物制成。
中国发明专利申请号201310151258.7公开了一种太阳能光热转换薄膜的膜系结构及其制备方法，此膜系结构是在金属膜系基的表面，由内至外依次是Cu红外反射膜层、TiN热扩散阻挡保护膜层，高金属含量的（Ti-Cr）NO选择性吸收膜层，低金属含量的（Ti-Cr）NO选择性吸收膜层和含少量Al2O3的SiO2减反射膜层，具有结构合理，耐高温性能好，吸收率高，反射率低，耐候性能好等特点。
根据上述，现有方案中碳化锆陶瓷纳米颗粒作为一种常用的光热转换材料，因其与高分子材料的相容性不好，容易产生团聚，很少有直接加入高分子薄膜中直接进行吸收。另外在热能领域，多数采用显热方式进行储能，但其储热量小，放热不恒温、储热装置庞大等缺点已经影响了其进一步的应用，单纯的光热转换薄膜对热能的利用率不高，并且一般制备方法复杂而成本高，鉴于此，本发明提出了一种创新性的具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜，可有效解决上述技术问题。
发明内容
针对目前应用较广的碳化锆陶瓷纳米颗粒光热转换材料，与高分子材料的相容性不好，容易产生团聚，导致光热转换效果差的问题,以及现有光热转换薄膜对热的储存利用率低的缺陷，本发明提出一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜，从而有效提高了薄膜的光热转换效率和保温储热效果。
为实现上述目的,本发明采用如下具体技术方案：
一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜，特征是含有碳化锆和聚乙二醇;其中,所述碳化锆为纳米颗粒，表面包覆有机硅胶；所述聚乙二醇负载在二氧化硅气凝胶。
所述一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜,由如下方法制备得到:
（1）将碳化锆颗粒去除杂质，在球磨机中进行干式研磨，通过气流悬浮分级，得到纳米级碳化锆备用；
（2）在带有搅拌器及温度控制系统的反应容器中加入步骤（1）制备的纳米级碳化锆及去离子水，开启搅拌器，加热至45~50℃，加入表面活性剂搅拌至完全溶解，保温8~12min后加入八甲基环四硅氧烷，升温至72~76℃，加入硫酸调节pH值至1.5~2.5，反应40~50min；有机硅胶包覆于碳化锆微粒表面形成胶囊结构，经过滤、洗涤、干燥，得到胶囊化碳化锆微粒；
（3）将聚乙二醇与二氧化硅气凝胶以质量比100:3-5混合,在真空釜中,设置80℃恒温,使聚乙二醇负载于二氧化硅气凝胶,冷却,得固定的聚乙二醇微粒;
（4）将步骤(2)制备的胶囊化碳化锆微粒、步骤（3）制备的聚乙二醇微粒、云母粉以质量比5:15：1混合制备功能粉；将聚酰胺通过双层T型模形成两层薄膜，趁热将功能粉喷涂在下层薄膜表面形成功能层，然后两层薄膜粘合将功能粉封在两层薄膜间，进一步热辊压、双向拉伸，即可制得具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜。
优选的，步骤（2）所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸铵、仲烷基磺酸钠、椰子酰甲基硫磺酸钠、月桂酸基谷氨酸钠、十二烷基磷酸酯三乙醇胺、α-烯基磺酸钠、十二烷基硫酸钠或N-月桂酸肌氨酸钠中的至少一种。
优选的，步骤（2）所述纳米级碳化锆、去离子水、表面活性剂、八甲基环四硅氧烷的用量按质量比为10：30-50：1-2:1-3。
优选的，步骤（4）所述云母粉的粒径小于5μm。
优选的，步骤（4）所述功能层的厚度为50-100μm。
优选的，步骤（4）所述双向拉伸的拉伸倍数为2-3倍。
碳化锆具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性、松装密度低、耐高温、抗氧化、强度高、硬度高、导热性好，韧性好，具有优异的效吸收可见光，反射紫外线的特性。纳米碳化锆具有高效吸收可见光，反射红外线的特性，可吸2μm以下的短波长，反射超过2μm红外线波长，通过能量转换。本发明采用碳化锆可有效保证光热转换效果。
相变储能材料在其发生物相转化过程中吸收和释放相变热，从而储存能量和调节环境温度。聚乙二醇便是一种有机相变的水溶性高分子化合物，其固体成型好，无“过冷”和“相分离”问题，且腐蚀小，性能稳定。聚乙二醇相变焓高，热滞后效应低，分子量可调节，且不同分子量的聚乙二醇按比例混合后，可以对热性能参数进行调节，使晶区熔融温度与结晶温度产生移动。因此，本发明采用聚乙二醇可实现薄膜的保温储能。
本发明通过将纳米碳化锆有机硅胶包覆，将聚乙二醇用二氧化硅气凝胶负载，配合云母粉形成了具有光热转化和储热恒温的功能粉，进一步封装在薄膜层间，从而实现了优异的光热转化、热储存、恒温功能，得到的薄膜在农业大棚、植被保温等方面具有极高的实用价值。
将本发明的技术方法与传统的直接添加法和表面沉积法相对比，所制得的薄膜在光热转换率储热量上，具有明显的优势
本发明提供了一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明将纳米碳化锆有机硅胶包覆，将聚乙二醇用二氧化硅气凝胶负载，配合云母粉形成了具有光热转化和储热恒温的功能粉，进一步封装在薄膜层间，从而实现了优异的光热转化、热储存、恒温功能，得到的薄膜在农业大棚、植被保温等方面具有极高的实用价值。
2、通过有机硅胶包覆于碳化锆微粒表面形成胶囊结构的碳化锆，极大提升了薄膜光热转换效果。
3、利用聚乙二醇对热量的自动吸收和释放，使得薄膜具有较好的储热保温效果。
4、本发明的制备过程简单，原料相容性好，生产成本低，可用于工业化生产。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜,由如下方法制备得到:
（1）将碳化锆颗粒去除杂质，在球磨机中进行干式研磨，通过气流悬浮分级，得到纳米级碳化锆备用；
（2）在带有搅拌器及温度控制系统的反应容器中加入步骤（1）制备的纳米级碳化锆及去离子水，开启搅拌器，加热至45~50℃，加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠搅拌至完全溶解，保温8min后加入八甲基环四硅氧烷，升温至72~76℃，加入硫酸调节pH值至1.5，反应40min；有机硅胶包覆于碳化锆微粒表面形成胶囊结构，经过滤、洗涤、干燥，得到胶囊化碳化锆微粒；其中，所述纳米级碳化锆、去离子水、表面活性剂、八甲基环四硅氧烷的用量按质量比为10：30：1:2；
（3）将聚乙二醇与二氧化硅气凝胶以质量比100:3混合,在真空釜中,设置80℃恒温,使聚乙二醇负载于二氧化硅气凝胶,冷却,得固定的聚乙二醇微粒;
（4）将步骤(2)制备的胶囊化碳化锆微粒、步骤（3）制备的聚乙二醇微粒、云母粉以质量比5:15：1混合制备功能粉；将聚酰胺通过双层T型模形成两层薄膜，趁热将功能粉喷涂在下层薄膜表面形成厚度为100μm的功能层，然后两层薄膜粘合将功能粉封在两层薄膜间，进一步热辊压、双向拉伸2倍，即可制得具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜。
实施例1中制得的薄膜，在光热转换率、储热恒温时间如表1所示。
实施例2
一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜,由如下方法制备得到:
（1）将碳化锆颗粒去除杂质，在球磨机中进行干式研磨，通过气流悬浮分级，得到纳米级碳化锆备用；
（2）在带有搅拌器及温度控制系统的反应容器中加入步骤（1）制备的纳米级碳化锆及去离子水，开启搅拌器，加热至45~50℃，加入表面活性剂十二烷基磺酸钠搅拌至完全溶解，保温10min后加入八甲基环四硅氧烷，升温至72~76℃，加入硫酸调节pH值至2.5，反应45min；有机硅胶包覆于碳化锆微粒表面形成胶囊结构，经过滤、洗涤、干燥，得到胶囊化碳化锆微粒；其中，所述纳米级碳化锆、去离子水、表面活性剂、八甲基环四硅氧烷的用量按质量比为10：40：1:3；
（3）将聚乙二醇与二氧化硅气凝胶以质量比100:4混合,在真空釜中,设置80℃恒温,使聚乙二醇负载于二氧化硅气凝胶,冷却,得固定的聚乙二醇微粒;
（4）将步骤(2)制备的胶囊化碳化锆微粒、步骤（3）制备的聚乙二醇微粒、云母粉以质量比5:15：1混合制备功能粉；将聚酰胺通过双层T型模形成两层薄膜，趁热将功能粉喷涂在下层薄膜表面形成厚度为100μm的功能层，然后两层薄膜粘合将功能粉封在两层薄膜间，进一步热辊压、双向拉伸3倍，即可制得具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜。
实施例2中制得的薄膜，在光热转换率、储热恒温时间如表1所示。
实施例3
一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜,由如下方法制备得到:
（1）将碳化锆颗粒去除杂质，在球磨机中进行干式研磨，通过气流悬浮分级，得到纳米级碳化锆备用；
（2）在带有搅拌器及温度控制系统的反应容器中加入步骤（1）制备的纳米级碳化锆及去离子水，开启搅拌器，加热至45~50℃，加入表面活性剂仲烷基磺酸钠搅拌至完全溶解，保温12min后加入八甲基环四硅氧烷，升温至72~76℃，加入硫酸调节pH值至2，反应40min；有机硅胶包覆于碳化锆微粒表面形成胶囊结构，经过滤、洗涤、干燥，得到胶囊化碳化锆微粒；其中，所述纳米级碳化锆、去离子水、表面活性剂、八甲基环四硅氧烷的用量按质量比为10：50：2:3；
（3）将聚乙二醇与二氧化硅气凝胶以质量比100:5混合,在真空釜中,设置80℃恒温,使聚乙二醇负载于二氧化硅气凝胶,冷却,得固定的聚乙二醇微粒;
（4）将步骤(2)制备的胶囊化碳化锆微粒、步骤（3）制备的聚乙二醇微粒、云母粉以质量比5:15：1混合制备功能粉；将聚酰胺通过双层T型模形成两层薄膜，趁热将功能粉喷涂在下层薄膜表面形成厚度为100μm的功能层，然后两层薄膜粘合将功能粉封在两层薄膜间，进一步热辊压、双向拉伸3倍，即可制得具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜。
实施例3中制得的薄膜，在光热转换率、储热恒温时间如表1所示。
实施例4
一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜,由如下方法制备得到:
（1）将碳化锆颗粒去除杂质，在球磨机中进行干式研磨，通过气流悬浮分级，得到纳米级碳化锆备用；
（2）在带有搅拌器及温度控制系统的反应容器中加入步骤（1）制备的纳米级碳化锆及去离子水，开启搅拌器，加热至45~50℃，加入表面活性剂十二烷基磷酸酯三乙醇胺搅拌至完全溶解，保温12min后加入八甲基环四硅氧烷，升温至72~76℃，加入硫酸调节pH值至2.5，反应50min；有机硅胶包覆于碳化锆微粒表面形成胶囊结构，经过滤、洗涤、干燥，得到胶囊化碳化锆微粒；其中，所述纳米级碳化锆、去离子水、表面活性剂、八甲基环四硅氧烷的用量按质量比为10：50：1:2；
（3）将聚乙二醇与二氧化硅气凝胶以质量比100:3混合,在真空釜中,设置80℃恒温,使聚乙二醇负载于二氧化硅气凝胶,冷却,得固定的聚乙二醇微粒;
（4）将步骤(2)制备的胶囊化碳化锆微粒、步骤（3）制备的聚乙二醇微粒、云母粉以质量比5:15：1混合制备功能粉；将聚酰胺通过双层T型模形成两层薄膜，趁热将功能粉喷涂在下层薄膜表面形成厚度为80μm的功能层，然后两层薄膜粘合将功能粉封在两层薄膜间，进一步热辊压、双向拉伸2.5倍，即可制得具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜。
实施例4中制得的薄膜，在光热转换率、储热恒温时间如表1所示。
对比例1
一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜,由如下方法制备得到:
（1）将碳化锆颗粒去除杂质，在球磨机中进行干式研磨，通过气流悬浮分级，得到纳米级碳化锆备用；
（2）将步骤纳米碳化锆、聚乙二醇、云母粉以质量比5:15：1混合制备功能粉；将聚酰胺通过双层T型模形成两层薄膜，趁热将功能粉喷涂在下层薄膜表面形成厚度为80μm的功能层，然后两层薄膜粘合将功能粉封在两层薄膜间，进一步热辊压、双向拉伸2.5倍，即可制得具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜。
对比例1中制得的薄膜，在光热转换率、储热恒温时间如表1所示。
将实施例1-4、对比例1得到的薄膜用于冬季大棚，在同等晴天，阳光照射后，测试棚内夜间温度及恒温情况，如表1所示。
表1：
性能指标 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例1
光热转换率（%） 90 87 86 91 60
棚内夜间19：00温度 22 24 22 21 18
棚内夜间21：00温度 18 18 16 19 12
棚内凌晨3：00温度 11 10 10 11 2

Claims (6)

1.一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜，特征是含有碳化锆和聚乙二醇; 其中,所述碳化锆为纳米颗粒，表面包覆有机硅胶；所述聚乙二醇负载在二氧化硅气凝胶；
所述一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜,由如下方法制备得到:
（1）将碳化锆颗粒去除杂质，在球磨机中进行干式研磨，通过气流悬浮分级，得到纳米级碳化锆备用；
（2）在带有搅拌器及温度控制系统的反应容器中加入步骤（1）制备的纳米级碳化锆及去离子水，开启搅拌器，加热至45~50℃，加入表面活性剂搅拌至完全溶解，保温8~12min后加入八甲基环四硅氧烷，升温至72~76℃，加入硫酸调节pH值至1.5~2.5，反应40~50min；有机硅胶包覆于碳化锆微粒表面形成胶囊结构，经过滤、洗涤、干燥，得到胶囊化碳化锆微粒；
（3）将聚乙二醇与二氧化硅气凝胶以质量比100:3-5混合,在真空釜中,设置80℃恒温,使聚乙二醇负载于二氧化硅气凝胶,冷却,得固定的聚乙二醇微粒;
（4）将步骤(2)制备的胶囊化碳化锆微粒、步骤（3）制备的聚乙二醇微粒、云母粉以质量比5:15：1混合制备功能粉；将聚酰胺通过双层T型模形成两层薄膜，趁热将功能粉喷涂在下层薄膜表面形成功能层，然后两层薄膜粘合将功能粉封在两层薄膜间，进一步热辊压、双向拉伸，即可制得具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜。
2.根据权利要求1所述一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜，其特征在于：步骤（2）所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸铵、仲烷基磺酸钠、椰子酰甲基硫磺酸钠、月桂酸基谷氨酸钠、十二烷基磷酸酯三乙醇胺、α-烯基磺酸钠、十二烷基硫酸钠或N-月桂酸肌氨酸钠中的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜，其特征在于：步骤（2）所述纳米级碳化锆、去离子水、表面活性剂、八甲基环四硅氧烷的用量按质量比为10：30-50：1-2:1-3。
4.根据权利要求1所述一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜，其特征在于：步骤（4）所述云母粉的粒径小于5μm。
5.根据权利要求1所述一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜，其特征在于：步骤（4）所述功能层的厚度为50-100μm。
6.根据权利要求1所述一种具有光热转换及保温储热效果的节能塑料薄膜，其特征在于：步骤（4）所述双向拉伸的拉伸倍数为2-3倍。
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