CN112500595A - 空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冷却领域，公开了一种空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜及其制备方法，该薄膜由厚度为70μm以上的聚二甲基硅氧烷（1）材质构成，在聚二甲基硅氧烷（1）内具有蜂窝状排列的空气孔（2）；空气孔（2）的层数大于三层，直径为1μm～5μm；该方法制备的被动辐射冷却薄膜仅由一种材料聚二甲基硅氧烷组成，其中，聚二甲基硅氧烷内部的空气孔光子晶体结构反射太阳光辐射，同时增加“大气窗口”特定波段的发射率，从而实现被动辐射冷却功能，克服了现有制备方法中引入金属底板来反射太阳光，容易造成光污染和高成本的固有缺陷，具有较好的应用价值。

Description

空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及冷却领域，特别涉及一种空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜及其制备方法。
背景技术
随着科技进步和人类社会发展，人类对能源的消耗大幅上升，不可避免地造成能源短缺、环境和生态污染。被动辐射冷却不需要消耗额外能源，不仅节能低碳，而且绿色环保，因此在节约能源方面具有重要作用。大气层对8-13 μm特定波段的电磁波是透明的，该波段的绝大部分红外线可以直接透过大气层，而不被大气层所吸收，因此，该特定电磁波段被称之为“大气窗口”。被动辐射冷却的基本原理是：尽可能多地反射或散射掉太阳光谱波段的能量；同时，通过“大气窗口”（8-13 μm）向温度接近绝对零度的宇宙空间发射足够多的红外辐射能量来释放热量。
科技文献“Passive radiative cooling design with broadband opticalthin-film filters.”（Journal of Quantitative Spectroscopy & RadiativeTransfer, 2017, 179-186）报道了一种二氧化钛、二氧化硅层叠结构的被动辐射冷却体结构，通过控制两种材料层叠的方式及每层的厚度来实现“大气窗口”的高发射率。
科技文献“ Daytime radiative cooling using near-black infraredemitters.”（ACS Photonics, 2017, 4(3)，626-630）报道了在聚乙烯中加入二氧化硅（SiO2）和碳化硅（SiC）微纳粒子，利用SiO2和SiC在“大气窗口”的共振吸收特性，实现了“大气窗口”波段的高发射率，然而该结构对太阳光谱反射率不高，被动辐射制冷效果有限。目前被动辐射冷却薄膜仍面临两个亟需解决的技术难题：（1）一般会在冷却薄膜背面加入金属板（如金属银，金属铝等）来反射太阳光谱，这对辐射冷却薄膜的实际应用造成了巨大障碍，不仅增加了制造成本，而且不可避免造成光污染，还缺乏柔韧性，（2）现有的的无金属反射板的辐射冷却薄膜往往由两种以上材料构成，多种材质结构往往造成被动辐射冷却薄膜的性能不均一，且制备工艺复杂。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜及其制备方法，该辐射冷却薄膜由同一种材料构成，在反射太阳光的同时，还具备“大气窗口”波段的高发射率，能实现高效的被动辐射冷却效果；制作简单、成本低廉、可大面积制作。
技术方案：本发明提供了一种空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜，所述薄膜由厚度为70μm以上的聚二甲基硅氧烷材质构成，在所述聚二甲基硅氧烷内具有蜂窝状排列的空气孔；所述空气孔的层数大于三层，直径为1 μm～5 μm。
本发明还提供了一种空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，
以下步骤：
S1：在基底上通过涂布和退火工艺制备聚苯乙烯小球光子晶体结构；
S2：在所述聚苯乙烯小球光子晶体结构上涂布聚二甲基硅氧烷；
S3：在真空条件下通过退火工艺固化所述聚二甲基硅氧烷；
S4：在空气中通过二次退火工艺去除所述聚苯乙烯小球光子晶体结构；
S5：脱模后获得空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜。
优选的，在所述S1中，所述基底的材质为硅或石英。
优选的，在所述S1中，所述退火工艺的温度为50℃-60℃，时间为1-2小时。
优选的，在所述S2中，所述聚二甲基硅氧烷是由聚二甲基硅氧烷与固化剂按照9~10:1的重量比混合得到的液体。
优选的，在所述S3中，所述退火工艺的温度为60℃-70℃，时间为1-3小时。
优选的，在所述S4中，所述二次退火工艺的温度为150℃-210℃，时间为4-7小时。
优选的，在所述S1中，所述聚苯乙烯小球光子晶体结构的层数大于3层。
优选的，在所述S1中，所述聚苯乙烯小球光子晶体结构的晶体直径为1 μm～5 μm。
优选的，在所述S8中，所述空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的整体厚度在70 μm以上。
有益效果：本发明中的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜，聚二甲基硅氧烷内部的空气孔光子晶体结构反射太阳光辐射，使得绝大部分的入射的太阳光被空气孔的光子晶体结构反射和散射，可以尽可能多的通过特定波段的“大气窗口”向外辐射热量，增加“大气窗口”特定波段的发射率，即，本薄膜在反射太阳光的同时，具备“大气窗口”波段的高发射率，能实现高效的被动辐射冷却效果。由于本发明制备空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜没有引入传统的金属反射层，克服了引入金属反射层反射太阳光容易造成光污染和高成本的固有缺陷，因此不会造成光污染，具有广泛的应用价值，还大幅降低了制作成本。此外，本发明制备空气孔光子晶体结构的被动辐射冷却薄膜的材质为同一种材料聚二甲基硅氧烷，具有柔性可绕折拉伸等独特优点，不会造成光污染的独特性质，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜工作原理示意图；
图2是空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜制备方法流程图；
图3是空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜制备流程示意图；
图4是空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜扫描电镜图；
图5是太阳光谱总反射率测试图；
图6是的红外发射率测试图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
本实施方式公开了一种空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜。参见图1所示，该空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜材质为聚二甲基硅氧烷1，在聚二甲基硅氧烷薄膜内设置蜂窝状排列的空气孔2。优选的空气孔2的层数大于3层，优选的空气孔2的直径为1 μm～5 μm，薄优选的薄膜整体厚度在70 μm以上。
参见图2至图4，本实施方式中的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜制备方法包括以下步骤：
S1： 在基底上通过涂布和退火工艺制备聚苯乙烯小球光子晶体结构；
在该步骤中，聚苯乙烯单分散小球采用本领域公知的分散聚合法制备，基本配方是：聚苯乙烯聚合单体（St）17 ml，聚苯烯吡咯烷酮（PVP）0.84 g，偶氮二异丁腈（AIBN）0.21g，无水乙醇10 ml，去离子水100 ml。将上述材料混合后放置到四口烧瓶中，在70℃下通氮气进行聚合反应，8小时后终止冷却得到直径为1 μm聚苯乙烯微球。将得到的聚苯乙烯微球按质量比20%溶于去离子水中，然后均匀涂布在单晶硅基底上，在50℃下退火1小时，经过自然冷却降温后在单晶硅基底上得到直径为1 μm聚苯乙烯小球光子晶体结构。
在其他实施方式中，在保持基本配方不变的前提下，通过改变聚苯乙烯聚合单体（St）的用量，可以得到直径范围为1-5 μm的聚苯乙烯小球。例如：聚苯乙烯聚合单体（St）的用量为32 ml，得到直径为1.5 μm聚苯乙烯。该基底也可以采用石英。
S2：在聚苯乙烯小球光子晶体结构上涂布聚二甲基硅氧烷；
将聚二甲基硅氧烷基本组分和固化剂按照10:1重量比混合得到聚二甲基硅氧烷液体，将得到的聚二甲基硅氧烷液体均匀涂布到步骤S1中得到的聚苯乙烯小球光子晶体结构上表面。
S3：在真空条件下通过退火工艺固化聚二甲基硅氧烷；
将步骤将S2中得到的模板整体放入到真空干燥箱中，在真空度130 Pa下，保持退火温度为60℃，退火时间为1小时。
S4：在空气中通过二次退火工艺去除聚苯乙烯小球光子晶体结构；
将步骤将S3中得到的样品置于空气当中二次退火，退火温度为150℃，退火时间为4小时。经过退火后，聚苯乙烯小球在高温下发生气化，从而在聚二甲基硅氧烷中得到如图4所示的蜂窝状排列的空气孔光子晶体结构。
S5：脱模后获得空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜。
直接将聚二甲基硅氧烷与单晶硅基底剥离，获得最终的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜。
经紫外可见分光光度计测试，如图5所示，该空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜在太阳光谱的0.38 μm-1.2 μm范围内的平均反射率为93.4%，反射了大部分太阳光辐射。同时，如图6所示，在8 μm-13 μm“大气窗口”的平均发射率达94.6%。因此可以尽可能多的通过特定波段的“大气窗口”向外辐射热量，同时绝大部分的入射的太阳光被空气孔的光子晶体结构反射和散射，从而达到辐射冷却的效果。由于本发明制备空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜没有引入传统的金属反射层，因此不会造成光污染，还大幅降低了制作成本。此外，本发明制备空气孔光子晶体结构的被动辐射冷却薄膜的材质为同一种材料聚二甲基硅氧烷，具有柔性可绕折等独特优点，具有广泛的应用价值。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜，其特征在于，所述薄膜由厚度为70μm以上的聚二甲基硅氧烷（1）材质构成，在所述聚二甲基硅氧烷（1）内具有蜂窝状排列的空气孔（2）；所述空气孔（2）的层数大于三层，直径为1 μm～5 μm。
2.一种空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在基底上通过涂布和退火工艺制备聚苯乙烯小球光子晶体结构；
S2：在所述聚苯乙烯小球光子晶体结构上涂布聚二甲基硅氧烷；
S3：在真空条件下通过退火工艺固化所述聚二甲基硅氧烷；
S4：在空气中通过二次退火工艺去除所述聚苯乙烯小球光子晶体结构；
S5：脱模后获得空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜。
3.根据权利要求2所述的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：在所述S1中，所述基底的材质为硅或石英。
4.根据权利要求2所述的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：在所述S1中，所述退火工艺的温度为50℃-60℃，时间为1-2小时。
5.根据权利要求2所述的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：在所述S2中，所述聚二甲基硅氧烷是由聚二甲基硅氧烷与固化剂按照9~10:1的重量比混合得到的液体。
6.根据权利要求2所述的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：在所述S3中，所述退火工艺的温度为60℃-70℃，时间为1-3小时。
7.根据权利要求2所述的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：在所述S4中，所述二次退火工艺的温度为150℃-210℃，时间为4-7小时。
8.根据权利要求2至7中任意一项所述的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于，在所述S1中，所述聚苯乙烯小球光子晶体结构的层数大于3层。
9. 根据权利要求2至7中任意一项所述的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于，在所述S1中，所述聚苯乙烯小球光子晶体结构的晶体直径为1 μm～5μm。
10. 根据权利要求2至7中任意一项所述的空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于，在所述S8中，所述空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的整体厚度在70 μm以上。
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