CN113419580B - 基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，包括由外侧至内侧依次设置的被动辐射冷却层、热致变色层、太阳加热层，被动辐射冷却层采用在太阳辐射波段的透过率大于等于0.8的薄膜材料，热致变色层采用温敏水凝胶材料，该材料在临界溶液温度以上、以下条件下对太阳辐射波段的透过率分别为t1、t2，且t2‑t1≥0.2，太阳加热层采用在太阳辐射波的吸收率大于等于0.4的材料，制备时，先分别制备被动辐射冷却层、热致变色层、太阳加热层，再将三者紧贴粘合即可。本设计本发明不仅实现了随环境温度变化的被动控温，而且适用的环境气温变化范围很大，体现出优异的控温能力。

Description

基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件及制备方法
技术领域
本发明属于光热调控和相变控温领域，具体涉及一种基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件及制备方法。
背景技术
由冷却和加热构成的控温在人类生活和社会发展中是一种必不可少的能源终端使用需求，控温需求发生在建筑群落、数据中心、工业生产、交通运输、人体等等方面。以建筑为例，作为控温需求的主要目标，约23％的终端能源消耗被用于居民和商业建筑的空间和水加热，约9％的终端电力消耗被用于居民和商业建筑的空间冷却。随着社会发展和人口增加，愈发增加的控温需求给许多国家或地区的电力系统造成严重压力，同时伴随着大量的二氧化碳排放，加剧了全球气候的变暖。为解决目前控温需求导致的恶劣结果，新的可替代绿色控温技术急需被探索开发。
目前，人们主要依赖暖通空调系统(HVAC)来实现控温，而HVAC系统所需的制冷剂会严重加剧温室效应和空气污染。此外，热电器件和热量材料(电热、磁热、机械热)因其各自的优点被广泛研究和发展以实现控温，而这些技术方法均需要消耗能量来驱动冷却和加热，对环境并不友好。我们周围环境中无时无刻存在着大量辐射资源。基于此，无能耗且无污染的被动辐射冷却技术(即陆地物体可强烈发射红外热辐射通过地球透明大气波段进入寒冷大气层和外太空以实现冷却、可被用于绿色高效制冷的技术)以及太阳加热技术(即陆地物体可强烈吸收太阳光以实现加热，可被用于绿色高效制热)应运而生。
对于自适应管理被动辐射冷却、通过温度响应进行发射率(吸收率)的切换以实现智能控温，目前采用的方法主要集中在二氧化钒基的相变复合结构上，尽管其已经被验证能够用于温度响应可切换的发射率(吸收率)系统，但这些系统存在结构复杂或者自调节能力有效性差的问题，且最重要的是，智能控温问题仍然未得到解决。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的上述问题，提供一种能够根据周围环境实现被动控温的基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件及制备方法。
为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，该智能控温器件为多层状结构，包括由外侧至内侧依次设置的被动辐射冷却层、热致变色层、太阳加热层，所述被动辐射冷却层采用在太阳辐射波段的透过率大于等于0.8的薄膜材料，所述热致变色层采用温敏水凝胶材料，该材料在临界溶液温度以上、以下条件下对太阳辐射波段的透过率分别为t1、t2，且t2-t1≥0.2，所述太阳加热层采用在太阳辐射波的吸收率大于等于0.4的材料。
所述被动辐射冷却层、热致变色层、太阳加热层的厚度分别为100μm-1mm、100μm-3mm、10μm-1mm。
所述被动辐射冷却层采用的薄膜材料在大气窗口的发射率为大于等于0.6。
所述薄膜材料为聚合物材料或无机材料中的至少一种，所述聚合物材料为PET、PDMS、PVDF、PTFE、PVC、PVF、PMMA、PS、TPX、PEO中的至少一种，所述无机材料为SiO2、Al2O3、Si3N4、MgO、LiF中的至少一种。
所述温敏水凝胶材料在太阳辐射波段的吸收率小于0.1，且0.9≥t2-t1≥0.6，所述太阳加热层3采用在太阳辐射波的吸收率大于等于0.6的材料。
所述温敏水凝胶材料为聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚乙烯基甲醚、聚(N-乙烯基己内酰胺)或羟丙基纤维素，其颗粒尺寸为200nm-10μm，所述太阳加热层3采用的材料为炭黑、石墨、铁黑、黑铬或蓝钛。
上述基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件的制备方法，依次包括以下步骤：
步骤一、分别制备被动辐射冷却层、热致变色层、太阳加热层，其中，所述被动辐射冷却层采用注塑、提拉、浸涂、流延、印刷、刮涂、滴铸、坩埚下降中的至少一种手段制备得到，所述热致变色层采用自由基沉淀聚合或自由基紫外光引发聚合技术制备得到，所述太阳加热层采用化学气相沉积、丝网印刷或丝网涂抹技术制备得到；
步骤二、将被动辐射冷却层、热致变色层、太阳加热层按所需布置方式紧贴粘合即得到智能控温器件。
在采用所述自由基沉淀聚合或自由基紫外光引发聚合技术制备热致变色层的同时进行离子掺杂改性或高亲疏水性单体共聚改性。
采用所述自由基沉淀聚合技术制备热致变色层的方法包括：先将单体和交联剂以5-20:1的质量比混合均匀以配置温敏水凝胶的前驱体溶液，再向前驱体溶液中通入氮气以除去反应体系中的氧气，并于搅拌速度100-300rpm的条件下将反应体系60-80℃恒温保持10-60min，然后向反应体系中加入引发剂，并在氮气气氛下持续反应3-12h，得到微凝胶颗粒分散液，随后将分散液在10000-18000rpm下离心清洗2-6次，得到微凝胶颗粒沉淀，最后将微凝胶颗粒沉淀注入预先制备好的聚合物夹层中即可得到热致变色颗粒膜层；
采用所述自由基紫外光引发聚合技术制备热致变色层的方法包括：先将单体、交联剂和引发剂混合均匀以配置温敏水凝胶的前驱体溶液，再将前驱体溶液注入预先制备好的聚合物夹层中，然后将聚合物夹层在365nm紫外灯光源下照射20-180min即可得到热致变色膜层，其中，所述单体和交联剂的质量比为5-20:1；
采用所述自由基沉淀聚合技术制备热致变色层的方法选用的引发剂为过硫酸钾，采用所述自由基紫外光引发聚合技术制备热致变色层的方法选用的引发剂为2,2-二乙氧基苯乙酮。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件包括由外侧至内侧依次设置的被动辐射冷却层、热致变色层、太阳加热层，被动辐射冷却层采用在太阳辐射波段的透过率大于等于0.8的薄膜材料，热致变色层采用温敏水凝胶材料，该材料在临界溶液温度以上、以下条件下对太阳辐射波段的透过率分别为t1、t2，且t2-t1≥0.2，太阳加热层采用在太阳辐射波的吸收率大于等于0.4的材料，该控温器件通过热致变色材料的动态调控可在不同天气环境下发挥不同的作用，当环境温度高于热致变色材料的临界溶液温度时，其对太阳辐射波段具有较低的透过率，配合被动辐射冷却材料可实现全天可持续的被动冷却效果；而当环境温度低于热致变色材料的临界溶液温度时，其对太阳辐射波段具有较高的透过率，使得太阳加热层材料发挥其加热功能，由于太阳加热层的高加热贡献，被动辐射冷却层产生的冷却功率会被全部抵消，控温器件整体呈现不降温或额外升温的效果，该设计不仅实现了根据周围环境温度被动调控目标物体温度的效果，而且在设定温度上下100℃左右的环境气温变化范围内均能将温度保持在设定温度附近，适用的环境气温变化范围很大。因此，本发明不仅实现了随环境温度变化的被动控温，而且适用的环境气温变化范围很大。
2、本发明基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件的制备方法在采用自由基沉淀聚合或自由基紫外光引发聚合技术制备热致变色层的同时进行离子掺杂改性或高亲疏水性单体共聚改性，该设计保证了温敏水凝胶材料的临界溶液温度可在10-40℃内选取，拓宽了智能控温器件能允许的恒温温度范围。因此，本发明拓宽了智能控温器件恒温温度的选择范围。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的控温原理图。
图中，被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。
参见图1，一种基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，该智能控温器件为多层状结构，包括由外侧至内侧依次设置的被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3，所述被动辐射冷却层1采用在太阳辐射波段的透过率大于等于0.8的薄膜材料，所述热致变色层2采用温敏水凝胶材料，该材料在临界溶液温度以上、以下条件下对太阳辐射波段的透过率分别为t1、t2，且t2-t1≥0.2，所述太阳加热层3采用在太阳辐射波的吸收率大于等于0.4的材料。
所述被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为100μm-1mm、100μm-3mm、10μm-1mm。
所述被动辐射冷却层1采用的薄膜材料在大气窗口的发射率为大于等于0.6。
所述薄膜材料为聚合物材料或无机材料中的至少一种，所述聚合物材料为PET、PDMS、PVDF、PTFE、PVC、PVF、PMMA、PS、TPX、PEO中的至少一种，所述无机材料为SiO2、Al2O3、Si3N4、MgO、LiF中的至少一种。
所述温敏水凝胶材料在太阳辐射波段的吸收率小于0.1，且0.9≥t2-t1≥0.6，所述太阳加热层3采用在太阳辐射波的吸收率大于等于0.6的材料。
所述温敏水凝胶材料为聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚乙烯基甲醚、聚(N-乙烯基己内酰胺)或羟丙基纤维素，其颗粒尺寸为200nm-10μm，所述太阳加热层3采用的材料为炭黑、石墨、铁黑、黑铬或蓝钛。
上述基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件的制备方法，依次包括以下步骤：
步骤一、分别制备被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3，其中，所述被动辐射冷却层1采用注塑、提拉、浸涂、流延、印刷、刮涂、滴铸、坩埚下降中的至少一种手段制备得到，所述热致变色层2采用自由基沉淀聚合或自由基紫外光引发聚合技术制备得到，所述太阳加热层3采用化学气相沉积、丝网印刷或丝网涂抹技术制备得到；
步骤二、将被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3按所需布置方式紧贴粘合即得到智能控温器件。
在采用所述自由基沉淀聚合或自由基紫外光引发聚合技术制备热致变色层2的同时进行离子掺杂改性或高亲疏水性单体共聚改性。
采用所述自由基沉淀聚合技术制备热致变色层2的方法包括：先将单体和交联剂以5-20:1的质量比混合均匀以配置温敏水凝胶的前驱体溶液，再向前驱体溶液中通入氮气以除去反应体系中的氧气，并于搅拌速度100-300rpm的条件下将反应体系60-80℃恒温保持10-60min，然后向反应体系中加入引发剂，并在氮气气氛下持续反应3-12h，得到微凝胶颗粒分散液，随后将分散液在10000-18000rpm下离心清洗2-6次，得到微凝胶颗粒沉淀，最后将微凝胶颗粒沉淀注入预先制备好的聚合物夹层中即可得到热致变色颗粒膜层；
采用所述自由基紫外光引发聚合技术制备热致变色层2的方法包括：先将单体、交联剂和引发剂混合均匀以配置温敏水凝胶的前驱体溶液，再将前驱体溶液注入预先制备好的聚合物夹层中，然后将聚合物夹层在365nm紫外灯光源下照射20-180min即可得到热致变色膜层，其中，所述单体和交联剂的质量比为5-20:1；
采用所述自由基沉淀聚合技术制备热致变色层2的方法选用的引发剂为过硫酸钾，采用所述自由基紫外光引发聚合技术制备热致变色层2的方法选用的引发剂为2,2-二乙氧基苯乙酮。
本发明的原理说明如下：
本发明提供了一种基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，该智能控温器件由被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3组成，其中，被动辐射冷却层1在太阳辐射波段(0.2-2.5μm)的透过率大于等于0.8，使得太阳辐射能够到达热致变色层，同时，在大气窗口(8-13μm)内具有强烈电磁波发射可实现被动辐射冷却作用；热致变色层2通过环境温度变化响应自身在太阳波段光学状态的材料以实现智能调控太阳能作用(参见图2)，太阳加热层3采用在太阳辐射波段具有强烈电磁波吸收的材料以实现太阳加热作用。本发明无需电能或机械能等外部能量的输入，填补了目前控温手段的空缺，既可解决离网地区的控温需求，亦可与主动控温手段集成实现节能和提高能源利用效率，是一种新颖、有效、绿色且零能耗的控温策略；另外本发明利用简单可行的制备方法实现了高效的智能控温功能，同时提供多样化的材料选择，可为不同应用领域进行按需设计。
本发明的智能控温器件利用太阳能进行被动调控，目前二氧化钒基的相变复合结构是利用太阳能或红外热辐射能进行被动调控，由于太阳能数值比热辐射能高出一个数量级且本发明的智能控温器件相比二氧化钒基的相变复合结构透过率(反射率)调控能力更强，因此本发明比该技术具有更宽的调控范围和更广阔的应用场景。
本发明所述被动辐射冷却层1在不同的天气条件下可实现低于环境气温1-20℃的冷却效果；所述太阳加热层3在不同的天气条件下能实现高于环境气温1-80℃的加热效果。
实施例1：
参见图1，基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，该智能控温器件为多层状结构，包括由外侧至内侧依次设置的被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3，所述被动辐射冷却层1采用的材料为对苯二甲酸乙二醇酯PET，其在太阳辐射波段的透过率大于0.9，在大气窗口的发射率大于0.8；所述热致变色层2采用的材料为聚(N-异丙基丙烯酰胺)，其在太阳辐射波段的吸收率小于0.1，且t2-t1≥0.7；所述太阳加热层3采用的材料为黑铬，其在太阳辐射波的吸收率大于0.9，且被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为200μm、400μm、200μm。
上述基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件的制备方法依次按照以下步骤进行：
步骤一、分别制备被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3，其中，所述被动辐射冷却层1采用注塑工艺制备得到；所述热致变色层2采用自由基紫外光引发聚合技术制备得到，具体为：先将95％(mol％)N-异丙基丙烯酰胺和5％N,N′-亚甲基双丙烯酰胺倒入装有12ml去离子水的离心管中，震荡得到均匀澄清溶液，再加入40μL2,2-二乙氧基苯乙酮，震荡超声1h，得到温敏水凝胶的前驱体溶液，然后将前驱体溶液注入预先制备好的厚度为400μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯夹层中，随后将聚对苯二甲酸乙二醇酯夹层在365nm紫外灯光源下照射40min即可得到热致变色膜层；所述太阳加热层3采用化学气相沉积技术制备得到；
步骤二、将被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3利用导热胶紧贴粘合即得到智能控温器件。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为500W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过6℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)1℃以内。
实施例2：
与实施例1的不同之处在于：
所述热致变色层2在太阳辐射波段的吸收率小于0.1，且t2-t1≥0.8。
所述热致变色层2采用自由基沉淀聚合技术制备得到，具体为：先将14g/L的N-异丙基丙烯酰胺和1.4g/L的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺加入到盛有720mL去离子水的三颈烧瓶中混合均匀得到澄清透明的温敏水凝胶前驱体溶液，再向前驱体溶液中通入氮气50min以除去反应体系中的氧气，并于搅拌速度200rpm的条件下将反应体系75℃恒温保持20min，然后向反应体系中加入0.83g/L的引发剂过硫酸钾，并在氮气气氛下持续反应4.5h，得到微凝胶颗粒分散液，随后将分散液在14000rpm下离心清洗2次，得到纯净的微凝胶颗粒沉淀，颗粒尺寸为200nm-10μm，最后将微凝胶颗粒沉淀注入预先制备好的聚对苯二甲酸乙二醇酯夹层中即可得到热致变色颗粒膜层。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为1000W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过10℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)2℃以内。
实施例3：
与实施例1的不同之处在于：
所述被动辐射冷却层1采用的材料为聚二甲基硅氧烷PDMS，被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为500μm、500μm、50μm。
所述被动辐射冷却层1采用前驱体溶液刮涂热处理工艺制备得到。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为800W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过8℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)2℃以内。
实施例4：
与实施例2的不同之处在于：
所述被动辐射冷却层1采用的材料为聚二甲基硅氧烷PDMS，且被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为800μm、400μm、300μm。
所述被动辐射冷却层1采用前驱体溶液刮涂热处理工艺制备得到，所述热致变色层2的制备方法采用聚丙烯夹层。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为900W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过10℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)2℃以内。
实施例5：
与实施例1的不同之处在于：
所述太阳加热层3采用的材料为蓝钛，其在太阳辐射波的吸收率大于0.9，所述被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为150μm、100μm、40μm。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为500W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过6℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)1℃以内。
实施例6：
与实施例2的不同之处在于：
所述太阳加热层3采用的材料为蓝钛，其在太阳辐射波的吸收率大于0.9，所述被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为300μm、200μm、20μm。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为1000W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过10℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)2℃以内。
实施例7：
与实施例1的不同之处在于：
所述被动辐射冷却层1采用的材料为聚二甲基硅氧烷PDMS，所述太阳加热层3采用的材料为蓝钛，其在太阳辐射波的吸收率大于0.9，所述被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为300μm、1mm、70μm。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为800W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过8℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)2℃以内。
实施例8：
与实施例2的不同之处在于：
所述被动辐射冷却层1采用的材料为聚二甲基硅氧烷PDMS，所述太阳加热层3采用的材料为蓝钛，其在太阳辐射波的吸收率大于0.9，所述被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为300μm、1mm、70μm。
所述热致变色层2的制备方法采用聚丙烯夹层。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为900W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过10℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)2℃以内。
实施例9：
与实施例2的不同之处在于：
所述被动辐射冷却层1采用的材料为二氧化硅，所述太阳加热层3采用的材料为蓝钛，其在太阳辐射波的吸收率大于0.9，所述被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为500μm、500μm、50μm。
所述热致变色层2的制备方法采用聚丙烯夹层。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为1000W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过14℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)1℃以内。
实施例10：
与实施例2的不同之处在于：
所述被动辐射冷却层1采用的材料为氟化锂，所述太阳加热层3采用的材料为蓝钛，其在太阳辐射波的吸收率大于0.9，所述被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为300μm、1mm、70μm。
所述被动辐射冷却层1采用坩埚下降工艺制备得到，具体为：先将LiF粉末压缩成块状，并置于封闭的铂坩埚中加热至850℃熔化，然后以3.5mm/h的速度缓慢降低坩埚位置的同时以25℃/min的速率降低温度以生长LiF晶体，最后用切割抛光机将LiF晶体切割抛光至所需尺寸即可；所述热致变色层2的制备方法采用聚丙烯夹层。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为1100W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过15℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)2℃以内。
实施例11：
与实施例1的不同之处在于：
所述被动辐射冷却层1采用的材料为二氧化硅与聚二甲基硅氧烷PDMS的复合物，所述太阳加热层3采用的材料为蓝钛，其在太阳辐射波的吸收率大于0.9，所述被动辐射冷却层1、热致变色层2、太阳加热层3的厚度分别为900μm、500μm、100μm。
所述被动辐射冷却层1的制备方法为：在熔融石英玻璃片表面用PDMS前驱体溶液刮涂并进行热处理后得到复合膜层。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为1100W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过14℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(32℃)2℃以内。
实施例12：
与实施例11的不同之处在于：
所述热致变色层2采用的材料为离子掺杂改性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)，其制备方法为：
先将90％(mol％)N-异丙基丙烯酰胺、5％海藻酸盐、5％N,N′-亚甲基双丙烯酰胺和40μL2,2-二乙氧基苯乙酮倒入装有12ml去离子水的离心管中，震荡得到均匀澄清的温敏水凝胶前驱体溶液，然后将前驱体溶液注入预先制备好的厚度为500μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯夹层中，随后将聚对苯二甲酸乙二醇酯夹层在365nm紫外灯光源下照射12h得到水凝胶层，最后将水凝胶层浸入AlCl3溶液中3h，即可得到离子掺杂改性的热致变色膜层。
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为900W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过12℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(22-32℃)1℃以内。
实施例13：
与实施例11的不同之处在于：
所述热致变色层2采用的材料为高亲水单体共聚改性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)，其制备方法为：
先将90％(mol％)N-异丙基丙烯酰胺、5％丙烯酰胺、5％N,N′-亚甲基双丙烯酰胺和40μL2,2-二乙氧基苯乙酮倒入装有12ml去离子水的离心管中，震荡得到均匀澄清的温敏水凝胶前驱体溶液，然后将前驱体溶液注入预先制备好的厚度为500μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯夹层中，随后将聚对苯二甲酸乙二醇酯夹层在365nm紫外灯光源下照射12h即可得到高亲水单体共聚改性的热致变色膜层
将该智能控温器件置于顶峰日间太阳辐照度为1000W/m2的大气环境下，测试结果表明在大气环境温度波动超过13℃时，智能控温器件能维持自身的温度波动在水凝胶临界溶液温度(22-32℃)1℃以内。
为考察本发明所述智能控温器件所允许的环境气温变化范围，建立了一个理论模型，它由三部分组成：蓝天辐射降温器、热致变色水凝胶和太阳吸收器。单位面积智能控温器件面向天空放置时的净功率由四部分组成：辐射降温器和水凝胶的基础太阳吸收Qbasic、吸收太阳能功率Qheating、寄生热功率Qnonrad和辐射降温功率Qcooling，由下式给出：
Figure BDA0003138452970000121
上式中，Qbasic＝Psun·ε，Psun为1000W/m2，ε为0.01，
Figure BDA0003138452970000122
Figure BDA0003138452970000123
为水凝胶相变前状态下太阳吸收器的太阳能吸收功率，且当水凝胶透明时
Figure BDA0003138452970000124
Psun为1000W/m2，β是太阳吸收率且变化范围在0.2-1，e为自然底数，
Figure BDA0003138452970000125
为相变过程开始持续的时间，t是整个相变过程的响应时间，τ是衰减因子，符号±取决于水凝胶的相变方向，当智能控温器件通过LCST从高温演化到低温时取正号，当智能控温器件通过LCST从低温演化到高温时取负号，Qnonrad＝h·(Tamb-TSSTH)，h为非辐射传热系数，Tamb和TSSTH分别为环境空气温度和三明治结构膜层器件温度，Qcooling＝Qrad-Qatm，被简单定义为α的函数，Qcooling＝Qmax cooling，Qmax cooling为150W/m2，α为辐射降温能力且变化范围在0.2-1。
根据上式可以得出智能控温器件的实时温度：
Figure BDA0003138452970000126
Figure BDA0003138452970000127
为最后一次步骤后的智能控温器件温度，
Figure BDA0003138452970000128
为下一个该时间步后的智能控温器件温度，δ为计算时间步长，CV为智能控温器件的比热容，ρ和V分别为智能控温器件的密度和体积。
通过上述模型得到了辐射冷却能力和太阳加热能对智能控温器件环境控温范围的影响，如表1所示：
表1不同辐射冷却能力和太阳加热能力下智能控温器件的环境控温范围
Figure BDA0003138452970000131
由表1可以看出，本发明所述智能控温器件的环境控温范围可以达到100℃左右。

Claims (10)

1.基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，其特征在于：
所述智能控温器件为多层状结构，包括由外侧至内侧依次设置的被动辐射冷却层（1）、热致变色层（2）、太阳加热层（3），所述被动辐射冷却层（1）采用在太阳辐射波段的透过率大于等于0.8的薄膜材料，所述热致变色层（2）采用温敏水凝胶材料，该材料在环境温度高于临界溶液温度时对太阳辐射波段的透过率为t1，在环境温度低于临界溶液温度时对太阳辐射波段的透过率为t2，且t2-t1≥0.2，所述太阳加热层（3）采用在太阳辐射波的吸收率大于等于0.4的材料。
2.根据权利要求1所述的基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，其特征在于：所述被动辐射冷却层（1）、热致变色层（2）、太阳加热层（3）的厚度分别为100μm-1mm、100μm-3mm、10μm-1mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，其特征在于：所述被动辐射冷却层（1）采用的薄膜材料在大气窗口的发射率为大于等于0.6。
4.根据权利要求3所述的基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，其特征在于：所述薄膜材料为聚合物材料或无机材料中的至少一种，所述聚合物材料为PET、PDMS、PVDF、PTFE、PVC、PVF、PMMA、PS、TPX、PEO中的至少一种，所述无机材料为SiO2、Al2O3、Si3N4、MgO、LiF中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，其特征在于：所述温敏水凝胶材料在太阳辐射波段的吸收率小于0.1，且0.9≥t2-t1≥0.6，所述太阳加热层（3）采用在太阳辐射波的吸收率大于等于0.6的材料。
6.根据权利要求5所述的基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件，其特征在于：所述温敏水凝胶材料为聚N-异丙基丙烯酰胺、聚乙烯基甲醚、聚N-乙烯基己内酰胺或羟丙基纤维素，其颗粒尺寸为200nm-10μm，所述太阳加热层（3）采用的材料为炭黑、石墨、铁黑、黑铬或蓝钛。
7.权利要求1所述的基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件的制备方法，其特征在于：
所述制备方法依次包括以下步骤：
步骤一、分别制备被动辐射冷却层（1）、热致变色层（2）、太阳加热层（3），其中，所述被动辐射冷却层（1）采用注塑、提拉、浸涂、流延、印刷、刮涂、滴铸、坩埚下降中的至少一种手段制备得到，所述热致变色层（2）采用自由基沉淀聚合或自由基紫外光引发聚合技术制备得到，所述太阳加热层（3）采用化学气相沉积、丝网印刷或丝网涂抹技术制备得到；
步骤二、将被动辐射冷却层（1）、热致变色层（2）、太阳加热层（3）按所需布置方式紧贴粘合即得到智能控温器件。
8.根据权利要求7所述的基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件的制备方法，其特征在于：在采用所述自由基沉淀聚合或自由基紫外光引发聚合技术制备热致变色层（2）的同时进行离子掺杂改性或高亲疏水性单体共聚改性。
9.根据权利要求7所述的基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件的制备方法，其特征在于：
采用所述自由基沉淀聚合技术制备热致变色层（2）的方法包括：先将单体和交联剂以5-20:1的质量比混合均匀以配置温敏水凝胶的前驱体溶液，再向前驱体溶液中通入氮气以除去反应体系中的氧气，并于搅拌速度100-300rpm的条件下将反应体系60-80℃恒温保持10-60min，然后向反应体系中加入引发剂，并在氮气气氛下持续反应3-12h，得到微凝胶颗粒分散液，随后将分散液在10000-18000rpm下离心清洗2-6次，得到微凝胶颗粒沉淀，最后将微凝胶颗粒沉淀注入预先制备好的聚合物夹层中即可得到热致变色颗粒膜层；
采用所述自由基紫外光引发聚合技术制备热致变色层（2）的方法包括：先将单体、交联剂和引发剂混合均匀以配置温敏水凝胶的前驱体溶液，再将前驱体溶液注入预先制备好的聚合物夹层中，然后将聚合物夹层在365nm紫外灯光源下照射20-180min即可得到热致变色膜层，其中，所述单体和交联剂的质量比为5-20:1。
10.根据权利要求9所述的基于被动辐射冷却和太阳加热的智能控温器件的制备方法，其特征在于：
采用所述自由基沉淀聚合技术制备热致变色层（2）的方法选用的引发剂为过硫酸钾，采用所述自由基紫外光引发聚合技术制备热致变色层（2）的方法选用的引发剂为2,2-二乙氧基苯乙酮。
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