CN112342792B - 一种具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的构筑方法 - Google Patents
一种具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的构筑方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的构筑方法，采用浸渍法将钛酸钾晶须和聚二甲基硅氧烷与织物表面的微纳结构相结合，解决了制备超疏水自清洁抗反射表面的操作工艺复杂、制备成本昂贵等缺点。该方法具有工艺简单易操作、反应条件可控、原材料来源广泛，成本低易降解，较高的近红外反射率，优良的防红外性能，较好的耐水洗性能，持久稳定的超疏水自清洁性能，且处理后的织物手感没有明显降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种在纤维织物表面构筑具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性钛酸钾晶须膜层的构筑方法。
背景技术
自1997年德国植物学家Barthlott发现荷叶表面的自清洁效应和超疏水现象以来，超疏水表面已经引起了科研人员极大的兴趣和广泛的关注。所谓超疏水表面是指与水滴的接触角大于150°且滚动角小于10°的表面，该技术在自清洁纺织品微量吸液管、防紫外产品、功能性材料、自清洁纺织品，油水分离材上有广泛应用。
辐射冷却技术是一种安全环保的被动降温技术，降温过程中不需要额外的能源消耗，是基于1900年普朗克提出的黑体辐射定律发展而来。由于地球的大气层在8-13μm波段存在一个透明窗口，这就使得地球上的物体能够将自身热量以热辐射的形式穿过该透明窗口辐射回太空并以宇宙作为冷端来达到降温的目的。在过去的研究中，夜间应用的辐射冷却已经够能起到很好的降温效果，如将TiO2混在白色漆中涂在铝板上即可在夜间实现较好的降温。但是在白天尤其是日照强烈的正午，由于吸收的太阳辐射会大于材料发射的热辐射，在日间的辐射冷却一直面临巨大的挑战。直至最近纳米光子学的快速发展，新型光子晶体、超材料的不断出现，经过系统设计的能够日间应用的辐射冷却材料也开始问世。
代表性的研究主要包括，2014年美国斯坦福大学的Shanhui Fan等人设计制备的一种7层的复合材料，上三层由数百纳米厚的HfO2和SiO2交替组成，负责产生强的热辐射，下四层是厚度为数十纳米的Ag、Ti、Si涂层在银镜上以增加太阳光反射率。该材料能够反射97%的太阳入射光，同时具有高的发射率和对大气窗口的选择性。当设备暴露在太阳光直射下超过850W/m2，这种光子辐射冷却材料可以降温低于环境温度4.9 ℃，制冷效率可达40.1W/m2。还有2017年，美国科罗拉多大学和怀俄明大学的Yao Zhai和Xiaobo Yin等人员则开发了一种易于大规模生产的聚合物基柔性薄膜超材料用来进行白天的辐射冷却。他们将SiO2微球随机的嵌入聚合物基质中，并在薄膜底部添加银涂层来实现太阳光的反射。该薄膜材料在太阳直射的正午时间辐射冷却效率可达93W/m2。
而目前，针对新型辐射冷却织物的研究主要是由美国斯坦福大学的YucanPeng和YiCui等人在2018年所设计的一种由纳米多孔聚乙烯纤维制备的织物。这种聚乙烯纤维的表面存在许多100-1000nm尺寸的微孔，能够有效的散射可见光(400-700nm波长)，并且允许7-14μm的中红外透过来实现人体降温。但是聚乙烯纤维的服用性能很差，很少用于服装面料中，尽管表面的多孔使得聚乙烯纤维的柔性得到增强，其穿着舒适性仍无法和传统服装纤维如棉织物、涤纶等相比。
综上所述，由于被动日间辐射冷却技术还属于比较新兴和热门的研究领域，研究的热度几乎都还集中于建筑物降温等大型制冷领域或能量转换方向，将其用于织物开发的研究还很少，属于较为新兴的领域。并且采用服用纤维制备的辐射冷却织物极少，同时这些织物也存在着易被污染从而失效等诸多问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的构筑方法，采用浸渍法将钛酸钾晶须和聚二甲基硅氧烷与织物表面的微纳结构相结合，解决了制备超疏水自清洁抗反射表面的操作工艺复杂、制备成本昂贵等缺点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的构筑方法，具体步骤如下：
（1）将一定质量的聚二甲基硅氧烷加入去离子水中，将配置好的上述溶液放置在强力超声机并在一定温度下和一定时间下进行超声来获得均匀分散的聚二甲基硅氧烷乳液。
（2）称取一定质量的钛酸钾晶须粉末，缓慢加入到上述制备好的乳液中，放置于强力超声机中并在一定温度和一定时间下使钛酸钾晶须充分分散在乳液中。取清洗干净的棉布，浸泡在配好的含有钛酸钾晶须的乳液中，经过数次浸渍循环后在烘箱内烘干，由此便获得了具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面。
进一步地，步骤（1）所述制备聚二甲基硅氧烷和水溶液的过程中，具体步骤为按质量比为0.5 wt%~2.0 wt%，将聚二甲基硅氧烷加入去离子水中，通过超声形成聚二甲基硅氧烷乳液。
进一步地，步骤（1）所述在聚二甲基硅氧烷加入去离子水中的超声过程中，其温度范围在30 ℃~50 ℃。
进一步地，步骤（1）所述在聚二甲基硅氧烷加入去离子水中的超声过程中，超声过程的时间范围在0.5 h~10 h。
进一步地，步骤（1）所述在聚二甲基硅氧烷加入去离子水中的超声过程中，超声时间到后取分散较好的上层部分放置在另一个烧杯中。
进一步地，步骤（2）所述所使用的钛酸钾晶须粉末主要成分是六钛酸钾晶须。
进一步地，步骤（2）所述在钛酸钾晶须分散在聚二甲基硅氧烷乳液过程中，其超声过程温度范围在25 ℃~55 ℃。
进一步地，步骤（2）所述在钛酸钾晶须分散在聚二甲基硅氧烷乳液过程中，其超声过程的时间范围在0.2 h~5 h。
进一步地，步骤（2）所述棉织物在配好的含有钛酸钾晶须的乳液中浸泡2~20min，优选5 min，60~150℃烘干，优选90 ℃烘干。
本发明的优点是：
（1）通过浸渍的办法将聚二甲基硅氧烷和钛酸钾晶须大量的沉积在棉织物表面，操作方便，制备方法简单，解决了传统方法上制备工序复杂，设备昂贵，耗时长等问题。
（2）采用水作为溶剂，在实施过程中不需要添加其他任何有机溶剂，且其他材料均为无毒无害，绿色环保，成本低廉。解决了原料成本高，环境污染严重等问题。
（3）钛酸钾晶须本身具有较好的近红外反射性能，但本身易吸潮、直接整理到织物疏水性能差，易被污染。经聚二甲基硅氧烷包裹后，赋予了材料更低的表面能，使其疏水角大于150°，获得了超疏水性能。因此，用聚二甲基硅烷包裹的钛酸钾晶须能在短时间内就使棉织物获得了超疏水自清洁表面，解决了其他传统方法上辐射冷却织物易被污染、易失效的问题。
（4）该方法具有工艺简单易操作、反应条件可控、原材料来源广泛，成本低易降解，较高的近红外反射率，优良的防红外性能，较好的耐水洗性能，持久稳定的超疏水自清洁性能，且处理后的织物手感没有明显降低。
附图说明
图1为本发明的一种被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的构筑方法的形貌及接触角。
图2为本发明的一种被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的红外反射性能的数据。
图3为本发明的被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面按照AATCC标准水洗五次的接触角变化趋势图。
具体实施方式
本发明提供一种具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的构筑方法，包括以下步骤：
（1）通过超声的办法，让聚二甲基硅氧烷在水中形成乳液。
（2）通过超声的办法，让钛酸钾晶须在上步乳液中分散均匀形成悬浮液。
为使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
首先，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。
其次，本发明中所讲的字母简称，均为本领域固定简称，其中部分字母文解释如下：PTW：钛酸钾晶须；PDMS：聚二甲基硅氧烷；SEM图：电子扫描显像图。
实施例1
步骤一：通过超声的办法，让聚二甲基硅氧烷在水中形成乳液；
在一个实施例中，该步骤可以具体如下执行：按1.5 wt%的质量比，将聚二甲基硅氧烷加入到去离子水中，在40 ℃下超声3 h，形成乳液。
步骤二：通过超声的办法，让钛酸钾晶须在上步乳液中分散均匀形成悬浮液。
在一个实施例中，该步骤可以具体如下执行：先将棉布按照5×5 cm规格裁剪4块，并置于烧杯中依次经过丙酮、去离子水、无水乙醇超声10 min，超声完毕后放入烘箱60 ℃干燥，冷却备用。在电子天平称量0.5 g的钛酸钾晶须备用，将步骤一得到的乳液放置在超声环境下，将称量的钛酸钾晶须缓慢的加入到乳液中，控制温度在40 ℃，经超声1 h后取出悬浮液。将棉布浸泡在配好的悬浮液中，经过5 min后取出放置在烘箱85 ℃中烘干。
参阅图1，图1为本发明的一种被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的形貌及其接触角图片，如图1所示，钛酸钾晶须通过聚二甲基硅氧烷的作用大量的沉积在棉织物纤维上形成一种微纳米结构，获得了超疏水表面，接触角在152°以上。
参阅图2，图2为本发明的一种被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物及其与普通棉织物的近红外反射率图。如图2所示，制备的棉织物（图中为实线）相比于普通未经过改性的棉织物（图中为虚线）的红外反射率提高了约25 %左右，说明经过改性成功使棉织物的近红外反射能力获得提高。
参阅图3，图3为本发明的一种被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面按照AATCC标准经过五次加强洗涤后棉织物接触角变化，一次加强洗涤等于五次普通洗涤。如图3所示，经过洗涤之后，棉织物的接触角逐渐下降，这是因为织物表面的聚二甲基硅氧烷及钛酸钾晶须在机械外力情况下摩擦掉落，表面形貌受到了破坏。但棉织物仍然能保持较好的疏水性能，仍保持在140°以上。
实施例2
步骤一：通过超声的办法，让聚二甲基硅氧烷在水中形成乳液；
在一个实施例中，该步骤可以具体如下执行：按0.5 wt%的质量比，将聚二甲基硅氧烷加入到去离子水中，在30 ℃下超声10 h，形成乳液。
步骤二：通过超声的办法，让钛酸钾晶须在上步乳液中分散均匀形成悬浮液。
在一个实施例中，该步骤可以具体如下执行：先将棉布按照5×5 cm规格裁剪4块，并置于烧杯中依次经过丙酮、去离子水、无水乙醇超声10 min，超声完毕后放入烘箱60 ℃干燥，冷却备用。在电子天平称量0.5 g的钛酸钾晶须备用，将步骤一得到的乳液放置在超声环境下，将称量的钛酸钾晶须缓慢的加入到乳液中，控制温度在55 ℃，经超声0.2h后取出悬浮液。将棉布浸泡在配好的悬浮液中，经过2 min后取出放置在烘箱150 ℃中烘干。
实施例3
步骤一：通过超声的办法，让聚二甲基硅氧烷在水中形成乳液；
在一个实施例中，该步骤可以具体如下执行：按2.0 wt%的质量比，将聚二甲基硅氧烷加入到去离子水中，在50 ℃下超声0.5 h，形成乳液。
步骤二：通过超声的办法，让钛酸钾晶须在上步乳液中分散均匀形成悬浮液。
在一个实施例中，该步骤可以具体如下执行：先将棉布按照5×5 cm规格裁剪4块，并置于烧杯中依次经过丙酮、去离子水、无水乙醇超声10 min，超声完毕后放入烘箱60 ℃干燥，冷却备用。在电子天平称量0.5 g的钛酸钾晶须备用，将步骤一得到的乳液放置在超声环境下，将称量的钛酸钾晶须缓慢的加入到乳液中，控制温度在25 ℃，经超声5h后取出悬浮液。将棉布浸泡在配好的悬浮液中，经过20 min后取出放置在烘箱60 ℃中烘干。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的构筑方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）将一定质量的聚二甲基硅氧烷加入去离子水中，将配置好的上述溶液放置在强力超声机并在一定温度下和一定时间下进行超声来获得均匀分散的聚二甲基硅氧烷乳液；
（2）称取一定质量的钛酸钾晶须粉末，缓慢加入到上述制备好的乳液中，放置于强力超声机中并在一定温度和一定时间下使钛酸钾晶须充分分散在乳液中；取清洗干净的棉织物，浸泡在配好的含有钛酸钾晶须的乳液中，经过数次浸渍循环后在烘箱内烘干，由此便获得了具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面；
所述制备聚二甲基硅氧烷乳液的过程中，具体步骤为按质量比为0.5 wt%~2.0 wt%，将聚二甲基硅氧烷加入去离子水中，通过超声形成聚二甲基硅氧烷乳液；
在聚二甲基硅氧烷加入去离子水中的超声过程中，其温度范围在30 ℃~50 ℃，超声过程的时间范围在0.5 h~10 h；
所使用的钛酸钾晶须粉末主要成分是六钛酸钾晶须；
在钛酸钾晶须分散在聚二甲基硅氧烷乳液过程中，其超声过程温度范围在25 ℃~55℃，其超声过程的时间范围在0.2 h~5 h；
棉织物在配好的含有钛酸钾晶须的乳液中浸泡2~20 min，60~150 ℃烘干。
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