CN113278331B - 一种自清洁被动辐射制冷涂料及其制备方法、涂层结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自清洁被动辐射制冷涂料及其制备方法、涂层结构。该涂料包括被动辐射制冷底漆和透明超疏水自清洁面漆。该制备方法通过纳米亲水二氧化硅、1M盐酸、正硅酸乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷、水制备得到透明超疏水自清洁面漆。该涂层结构为被动辐射制冷底漆和透明超疏水自清洁面漆形成双层结构。本发明的益处：证明溶胶凝胶法制备的透明超疏水罩面涂料对白天被动辐射制冷涂层太阳反射率的影响很小，但增强了白天被动辐射制冷涂层在大气窗口的选择性红外辐射；超疏水自清洁透明罩面涂料使得白天被动辐射制冷涂料能够保持长久的高太阳反射率和制冷性能。白天被动辐射制冷底漆提高了透明超疏水自清洁罩面涂料的耐热老化和抗紫外老化性能。

Description

一种自清洁被动辐射制冷涂料及其制备方法、涂层结构
技术领域
本发明属于被动辐射制冷领域，具体为一种自清洁被动辐射制冷涂料及其制备方法、涂层结构。
背景技术
对于一个白天直面天空的表面而言，存在如下的三种热现象；(1)表面吸收的短波太阳热Psun和大气层以红外的形式向表面辐射的热量Patm；(2)表面以红外形式向大气层或/和大气层外的宇宙空间辐射的热量Prad；(3)表面与其相接触的环境和空气之间通过传导和对流进行的热交换。其中，表面以红外形式辐射出的热量减去表面所吸收的大气层以红外形式向下辐射的热量称为表面以红外形式辐射出去的净热量，与表面的红外辐射率ε以及表面绝对温度Ts四次方和有效天空绝对温度Tsky的四次方之差成正比：
Figure BDA0003069627340000011
σ为斯特凡玻尔兹曼常数。
在压制传导和对流的情况下，当表面以红外形式向外辐射的净热量大于表面所吸收的太阳热时，就会发生表面温度低于环境气温的白天被动辐射制冷现象。要观察到明显的白天被动辐射制冷现象，严格要求表面的太阳反射率不低于94％，总体红外辐射率或大气窗口(8～13μm)的选择性红外辐射率越高越好！通过大气窗口的选择性红外辐射以大气层外寒冷的宇宙空间(+3K或-273℃)为散热器，直接将表面的热量散发到外太空。
由于涂层材料和其它非金属材料一样自身具有很高的红外辐射率，因此，对于涂层材料而言，只需要尽可能提高其太阳反射率即可！传统的太阳热反射隔热涂料太阳反射率通常低于90％，表面温度在阳光直射的中午时段高于环境气温。而白天的被动辐射制冷涂料的太阳反射率不低于94％，即使在阳光直射的正午，表面温度也低于环境气温。此时的涂层表面就像一个制冷源一样，不断向外散热，同时，通过热传导的方式将表面下边空间的温度降低。
显然，不像空调的主动制冷那样，既耗费电能又只是把室内空间的热量排放到室外环境，白天被动辐射制冷既无需电能驱动，又可以通过红外辐射的形式将室内热量通过表面散发到远离地表的大气层或外太空，既有利于减少不可再生化石能源的燃烧发电，减少雾霾的形成和二氧化碳的排放；又可以减缓城市热岛效应和全球气候变暖的趋势！
白天被动辐射制冷的上述社会及经济效益优势使得这项技术自2014年首次成功实现以来，成为了过去几年世界范围内最前沿最热门的研究领域之一。
在我们前期的研究中，通过引入荧光制冷的新机制，克服逾越了传统太阳热反射隔热涂料太阳反射率不高于90％的弱点，制备出有效太阳反射率为94％的荧光及辐射制冷涂料，成功实现了白天尤其是阳光直射下的被动辐射制冷。但其太阳反射率还有待于进一步提高，以实现更高的白天被动辐射制冷效果。
由于白色表面的太阳反射率最高，利于压制表面对太阳热的吸收，因此迄今为止，现有的白天被动辐射制冷技术的外观均为单一的白色。而白色表面的太阳反射率通常会因为被灰尘和其它污染物玷污而出现下降进而失去制冷性能。研究结果表明，灰尘聚集是造成白色表面太阳反射率下降的主要因素！
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种自清洁被动辐射制冷涂料及其制备方法、涂层结构，将其应用在建筑物、油气储罐、液化天然气运输船、槽罐车、冷链物流、粮仓、通讯基站、变电站、帐篷等表面，提供白天被动辐射制冷、疏水自清洁和防水的一体化解决方案！复合后的双涂层体系与水的接触角不低于150°，滚动角不高于2°，具有优异的超疏水自清洁性能。复合后的双涂层体系太阳反射率不低于96％，红外辐射率不低于90％，具有优异的白天被动辐射制冷性能。
超疏水自清洁透明罩面涂料能够像荷叶表面一样具有自清洁的功能，同时，采用溶胶凝胶法制备的透明罩面涂料在成膜后的主要成分是二氧化硅，二氧化硅对太阳光谱透明，在大气窗口具有选择性辐射。因此，可以科学地预言，表面科学这两项最前沿领域的技术相结合将会产生性能互相增强的奇妙效果！为表面提供超疏水自清洁和白天被动辐射制冷的双重功能！
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种自清洁被动辐射制冷涂料，包括被动辐射制冷底漆和透明超疏水自清洁面漆，所述的透明超疏水自清洁面漆包括纳米亲水二氧化硅、1M盐酸、正硅酸乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷、水，所述的被动辐射制冷底漆包括苯丙乳液、纳米碳酸钙、空心玻璃微珠、二氧化硅、水和助剂。
进一步的，所述的透明超疏水自清洁面漆以重量份计包括纳米亲水二氧化硅1份～2份、1M盐酸0.1份～0.2份、正硅酸乙酯0.5份～1份、十六烷基三甲氧基硅烷1份～2份、水95.4份～96.8份。
进一步的，所述的透明超疏水自清洁面漆表面与水的接触角154.7～163.5°，滚动角小于2°。
进一步的，所述的被动辐射制冷底漆以重量份计包括苯丙乳液30份～40份、纳米碳酸钙10份～20份、空心玻璃微珠10份～20份、二氧化硅10份～20份、水5份～20份和助剂5份～10份。
进一步的，在传导和对流非辐射传热系数为3.77～5.25Wm-2K-1的夏日晴天，于阳光直射的正午时段，涂敷自清洁被动辐射制冷涂料的铝板，涂层表面温度低于环境气温(10.36±0.69)～(12.59±0.41)℃。
在盐酸催化下，正硅酸乙酯和十六烷基三甲氧基硅烷通过水解形成硅醇，硅醇通过共缩聚反应后，在纳米二氧化硅表面形成一层低表面能的-Si-O-Si-O-网状结构的共聚物。
纳米碳酸钙和空心玻璃微珠作为白色颜料可以增加涂层的太阳反射面积进而提高涂层的太阳反射率。二氧化硅则可以提高涂层在大气窗口的选择性红外辐射率。
进一步的，所述的助剂包括分散剂、润湿剂、消泡剂、流平剂和成膜助剂。这些助剂的使用可以提高涂料的性能。
一种上述的涂料的制备方法，通过纳米亲水二氧化硅、1M盐酸、正硅酸乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷、水制备得到透明超疏水自清洁面漆，通过苯丙乳液、纳米碳酸钙、空心玻璃微珠、二氧化硅、水和助剂制备得到被动辐射制冷底漆
进一步的，按照配方量称取纳米亲水二氧化硅、1M盐酸、正硅酸乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷和水，搅拌反应后，制备出超疏水的纳米二氧化硅悬浮液，将纳米二氧化硅悬浮液与经过疏水处理的苯丙乳液和氟碳表面活性剂混合，搅拌分散后，制备出透明超疏水自清洁面漆。
纳米超疏水悬浮液与基材的附着力很弱，通常用手指轻轻一碰就可以抹去涂层。加入经过疏水处理的苯丙乳液是为了提高透明超疏水面漆与底漆的附着力，但加入过多的乳液会覆盖住低表面能的微纳米结构，丧失超疏水性能。氟碳表面活性剂通常是经过氟化低表面能处理的纯丙烯酸或丙烯酸共聚物，具有乳液的粘合作用，同时又能提供低表面能。
进一步的，按配方量称取苯丙乳液、纳米碳酸钙、二氧化硅水和成膜助剂外的助剂，高速分散后，进行低速搅拌，缓慢加入配方量的空心玻璃微珠和成膜助剂，继续分散，即可制备出被动辐射制冷底漆。空心玻璃微珠之所以最后在低速搅拌下缓慢加入是为了防止高速搅拌将微珠破碎。
一种上述的涂料的涂层结构，所述的被动辐射制冷底漆和透明超疏水自清洁面漆形成双层结构。
进一步的，所述的被动辐射制冷底漆的厚度不低于300μm，透明超疏水自清洁面漆的厚度不大于50μm。涂层的太阳反射率96.8％～97.3％，红外辐射率不低于90.0％。
涂层的太阳反射率在一定范围内随涂层厚度的增加而增加，过了临界阈值后不随厚度的增加而变化。超疏水自清洁面漆超过50微米会降低制冷底漆的可见光光谱反射率。
复合后的双涂层体系太阳反射率不低于96％，红外辐射率不低于90％，具有优异的白天被动辐射制冷性能。可用于所有在夏季白天尤其是阳光直射的中午有制冷需求的场所，为其提供自清洁、制冷和防水的一体化解决方案。
与现有技术相比，本发明具有明显的优势，可以带来如下的益处：
(1)现有的白天被动辐射制冷技术只有个别具备了疏水自清洁功能，迄今为止，尚未有超疏水自清洁白天被动辐射制冷表面见诸于文献。
(2)本发明证明溶胶凝胶法制备的透明超疏水罩面涂料对白天被动辐射制冷涂层太阳反射率的影响很小，但增强了白天被动辐射制冷涂层在大气窗口的选择性红外辐射。
(3)超疏水自清洁透明罩面涂料使得白天被动辐射制冷涂料能够保持长久的高太阳反射率和制冷性能。
(4)白天被动辐射制冷底漆提高了透明超疏水自清洁罩面涂料的耐热老化和抗紫外老化性能。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
附图说明
图1是本发明实施例1的超疏水制冷涂层和制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。
图2是本发明实施例1的超疏水制冷涂层表面与水的接触角示意图。
图3是本发明实施例1的超疏水制冷涂层宏观荷叶效应示意图。
图4是本发明实施例1的超疏水制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。
图5是本发明实施例2的超疏水制冷涂层和制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。
图6是本发明实施例2的超疏水制冷涂层表面与水的接触角示意图。
图7是本发明实施例2的超疏水制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。
图8是本发明实施例3的超疏水制冷涂层和制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。
图9是本发明实施例3的超疏水制冷涂层表面与水的接触角示意图。
图10是本发明实施例3的超疏水制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
将制备好的自清洁被动辐射制冷涂料涂敷在4cm×4cm的铝板上，采用紫外/可见光/近红外分光光度计(Pekin-Elmer Lambda950)和便携式红外辐射率测定仪(AE1，Devices&Services Co.，Dallas，TX)分别测定涂料的光谱反射率和总体太阳反射率以及红外发射率。
将制备好的自清洁被动辐射制冷涂料涂敷在自行搭建的制冷器的铝合金板(31cm长×31cm宽×1.0cm厚)上，用放置在制冷器附近的百叶箱内的热电阻测定环境气温，因为铝合金为热的良导体，涂层表面温度等于铝合金温度，可以用插入铝合金板中间圆孔的热电阻测定涂层表面温度。用风速仪测定风速以及传导和对流非辐射传热系数，用辐照仪测定太阳辐照强度。所测得的上述数据通过无线传输到电脑终端。
实施例1
一种自清洁被动辐射制冷涂料，包括被动辐射制冷底漆和透明超疏水自清洁面漆。
透明超疏水自清洁面漆以重量份计包括：纳米亲水纳米二氧化硅1份、1M盐酸0.2份、正硅酸乙酯1份和十六烷基三甲氧基硅烷1份和水96.8份。被动辐射制冷底漆以重量份计包括：苯丙乳液30份、纳米碳酸钙20份、空心玻璃微珠20份、二氧化硅20份、水5份、分散剂1份、润湿剂1份、消泡剂1份、流平剂1份、成膜助剂1份。
一种上述涂料的制备方法。
按照配方量称取纳米亲水二氧化硅、1M盐酸、正硅酸乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷和水，搅拌反应后，制备出超疏水的纳米二氧化硅悬浮液，将纳米二氧化硅悬浮液与经过疏水处理的苯丙乳液和氟碳表面活性剂混合，搅拌分散后，制备出透明超疏水自清洁面漆。
按配方量称取苯丙乳液、纳米碳酸钙、二氧化硅水和成膜助剂外的助剂，高速分散后，进行低速搅拌，缓慢加入配方量的空心玻璃微珠和成膜助剂，继续分散，即可制备出被动辐射制冷底漆。
将被动辐射制冷底漆和透明超疏水自清洁面漆涂敷在制冷器的铝板上，控制底漆和面漆的干膜厚度分别为300μm和50μm。从而形成上述涂料的涂层结构。
图1是本实施例的超疏水制冷涂层和制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。制冷涂料底漆的总体红外辐射率91％，总体太阳反射率为97.02％，紫外光谱反射率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为97.55％、98.93％和94.42％。在复合上超疏水自清洁面漆后，整个涂层体系的红外辐射率91.5％，总体太阳反射率为96.90％，紫外光谱反射率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为96.94％、98.9％和94.19％。超疏水自清洁面漆的加入增强了涂层体系在大气窗口的选择性红外辐射率，进而提高了涂层体系的总体红外辐射率。在误差范围内，总体太阳反射率如所预料的那样基本不变，只是紫外、可见光和近红外区域的光谱反射率略有降低。
图2是本实施例的超疏水制冷涂层表面与水的接触角示意图，涂层与水的接触角为163.4°，滚动角均小于2°，具有明显的疏水自清洁功能。
图3是本实施例的超疏水制冷涂层宏观荷叶效应示意图，不同颜色的水性液滴在涂层表面呈完美的柱状。
图4是本实施例的超疏水制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。可以看出，在太阳辐照强度在800～1000瓦/平米之间浮动的夏日晴朗天气下，在阳光直射的正午时段，当传导和对流非辐射传热系数为5.247Wm-2K-1的情况下，涂层表面温度恒低于环境气温，低于气温的平均值为(11.16±0.38)℃。
实施例2
一种自清洁被动辐射制冷涂料，包括被动辐射制冷底漆和透明超疏水自清洁面漆。
透明超疏水自清洁面漆以重量份计包括：纳米亲水纳米二氧化硅2份、1M盐酸0.1份、正硅酸乙酯0.5份和十六烷基三甲氧基硅烷2份和水95.4份。被动辐射制冷底漆以重量份计包括：苯丙乳液40份、纳米碳酸钙13份、空心玻璃微珠10份、二氧化硅10份、水20份、分散剂1.4份、润湿剂1.4份、消泡剂1.4份、流平剂1.4份、成膜助剂1.4份。
一种上述被动辐射制冷涂料的制备方法和涂层结构，同实施例1。
图5是本实施例的超疏水制冷涂层和制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。制冷涂料底漆的总体红外辐射率91％，总体太阳反射率为96.92％，紫外光谱反射率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为96.69％、98.92％和94.22％。在复合上超疏水自清洁面漆后，整个涂层体系的红外辐射率91.4％，总体太阳反射率为96.81％，紫外光谱反射率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为96.69％、98.79％和94.14％。超疏水自清洁面漆的加入增强了涂层体系在大气窗口的选择性红外辐射率，提高了涂层体系的总体红外辐射率。在误差范围内，总体太阳反射率如所预料的那样基本不变，只是紫外、可见光和近红外区域的光谱反射率略有降低。
图6是本实施例的超疏水制冷涂层表面与水(左)、正十六烷(右)···(下)的接触角示意图，涂层与水的接触角为156.2°，滚动角均小于2°，同样具有明显的疏水自清洁功能。不同颜色的水性液滴在涂层表面呈完美的柱状。
图7是本实施例的超疏水制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。可以看出，在太阳辐照强度在800～1000瓦/平米之间浮动的夏日多云天气下，在阳光直射的正午时段，当传导和对流非辐射传热系数为4.222Wm-2K-1的情况下，涂层表面温度恒低于环境气温，低于气温的平均值为(12.59±0.41)℃。
实施例3
一种自清洁被动辐射制冷涂料，包括被动辐射制冷底漆和透明超疏水自清洁面漆。
透明超疏水自清洁面漆以重量份计包括：纳米亲水纳米二氧化硅1.5份、1M盐酸0.15份、正硅酸乙酯0.75份和十六烷基三甲氧基硅烷1.5份和水96.1份。被动辐射制冷底漆以重量份计包括：苯丙乳液35份、纳米碳酸钙10份、空心玻璃微珠15份、二氧化硅15份、水15份、分散剂2份、润湿剂2份、消泡剂2份、流平剂2份、成膜助剂2份。
一种上述被动辐射制冷涂料的制备方法和涂层结构，同实施例1。
图8是本实施例的超疏水制冷涂层和制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。制冷涂料底漆的总体红外辐射率90％，总体太阳反射率为96.86％，紫外光谱反射率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为95.12％、98.81％和94.31％。在复合上超疏水自清洁面漆后，整个涂层体系的红外辐射率91.0％，总体太阳反射率为96.67％，紫外光谱反射率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为94.51％、98.60％和94.18％。超疏水自清洁面漆的加入增强了涂层体系在大气窗口的选择性红外辐射率，提高了涂层体系的总体红外辐射率。在误差范围内，总体太阳反射率如所预料的那样基本不变，只是紫外、可见光和近红外区域的光谱反射率略有降低。
图9是本实施例的超疏水制冷涂层表面与水的接触角示意图，涂层与水的接触角的平均值为155.2°，滚动角均小于3°，同样具有明显的超疏水自清洁功能。
图10是本实施例的超疏水制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。可以看出，在太阳辐照强度在800～1000瓦/平米之间浮动的夏日多云天气下，在阳光直射的正午时段，当传导和对流非辐射传热系数为4.04Wm-2K-1的情况下，涂层表面温度恒低于环境气温，低于气温的平均值为(12.03±0.82)℃。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。比如，如图……还可视为基本例和选择例……的组合，图……也还可视为基本例和选择例……的组合，等等，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自清洁被动辐射制冷涂料，其特征在于：包括被动辐射制冷底漆和透明超疏水自清洁面漆，所述的透明超疏水自清洁面漆以重量份计包括纳米亲水二氧化硅1份~2份、1M盐酸0.1份~0.2份、正硅酸乙酯0.5份~1份、十六烷基三甲氧基硅烷1份~2份、水95.4份~96.8份，所述透明超疏水自清洁面漆的制备方法为：按照配方量称取纳米亲水二氧化硅、1M盐酸、正硅酸乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷和水，搅拌反应后，制备出超疏水的纳米二氧化硅悬浮液，将纳米二氧化硅悬浮液与经过疏水处理的苯丙乳液和氟碳表面活性剂混合，搅拌分散后，制备出透明超疏水自清洁面漆 ；
所述的被动辐射制冷底漆包括苯丙乳液、纳米碳酸钙、空心玻璃微珠、二氧化硅、水和助剂；所述的透明超疏水自清洁面漆表面与水的接触角154.7~163.5º，滚动角小于2º。
2.根据权利要求1所述的自清洁被动辐射制冷涂料，其特征在于：所述的被动辐射制冷底漆以重量份计包括苯丙乳液30份~40份、纳米碳酸钙10份~20份、空心玻璃微珠10份~20份、二氧化硅10份~20份、水5份~20份和助剂5份~10份。
3.根据权利要求1或2所述的自清洁被动辐射制冷涂料，其特征在于：在传导和对流非辐射传热系数为3.77~5.25 Wm-2K-1的夏日晴天，于阳光直射的正午时段，涂敷自清洁被动辐射制冷涂料的铝板，涂层表面温度低于环境气温（10.36±0.69）~（12.59±0.41）℃。
4.一种如权利要求1~3任一所述的涂料的制备方法，其特征在于：通过纳米亲水二氧化硅、1M盐酸、正硅酸乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷、水制备得到透明超疏水自清洁面漆；通过苯丙乳液、纳米碳酸钙、空心玻璃微珠、二氧化硅、水和助剂制备得到被动辐射制冷底漆。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：按配方量称取苯丙乳液、纳米碳酸钙、二氧化硅、 水和成膜助剂外的助剂，高速分散后，进行低速搅拌，缓慢加入配方量的空心玻璃微珠和成膜助剂，继续分散，即可制备出被动辐射制冷底漆。
6.一种如权利要求1~3任一所述的涂料的涂层结构，其特征在于：所述的被动辐射制冷底漆和透明超疏水自清洁面漆形成双层结构。
7.根据权利要求6所述的涂层结构，其特征在于：所述的被动辐射制冷底漆的厚度不低于300μm，透明超疏水自清洁面漆的厚度不大于50μm，涂层的太阳反射率96.8%~97.3%，红外辐射率不低于90.0%。
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