CN113663894A - 消杂光材料组合物及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消杂光材料组合物，包括基材、底涂层和面涂层；底涂层涂覆于基材表面，厚度为1～500μm；面涂层涂覆于所述底涂层上面，厚度为1～500μm，且所述面涂层包含粒径为100 nm～30μm的碳基消杂光材料颗粒，孔隙率高于95%。本发明的一种消杂光材料组合物，通过选择不同的底涂层材料，可以实现对任意基底的高黏附，适用性较强；面涂层是具有非常高孔隙率的碳基消杂光材料颗粒，具有优异的吸光能力和红外发射率；而且本发明所制备的消杂光材料工艺简单，适合大规模生产。所得涂层在可见光光吸收率大于99%，中波红外发射率大于0.99，长波红外发射率大于0.98。

Description

消杂光材料组合物及制备方法
技术领域
本发明涉及消杂光材料组合物及制备方法，属于涂层制备领域。
背景技术
消杂光材料是指由于其特殊微观纳米结构而具有非常高吸光性能的材料(一般半球反射率低于1％)。同时，由于具有较高发射率，消杂光材料也是目前最接近理想黑体的材料，可用于高性能低温黑体的制备，在精密光学仪器和光热转化等领域也有着广阔的应用前景。按材料种类，消杂光材料可大致分为金属基、半导体基和碳基三种。金属基消杂光材料包括镍磷合金、异形金纳米粒子等；半导体基消杂光材料包括刻蚀黑硅和一些过渡金属氮化物及氧化物；碳基消杂光材料包括垂直阵列碳纳米管、碳纳米壁和碳气凝胶等。由于碳材料特殊的电子能带结构，碳基消杂光材料相比于比金属基和半导体基有着更高的吸光性能和更宽的吸收光谱范围。通过调控碳材料的纳米结构，获得具有更强的吸光性能的材料，是目前高发射黑体的主要发展方向。
消杂光材料的高吸收率、高发射率的原因可以通过理论模型来解释。根据现有研究结果，消杂光材料的方向-半球反射率可以表示为界面反射率和漫反射率两者之和：
Figure BDA0003182588660000011
式中：
Figure BDA0003182588660000012
——消杂光材料的方向-半球反射率；
Figure BDA0003182588660000013
——界面反射率；
Figure BDA0003182588660000014
——漫反射率。
由Fresnel方程，界面反射率
Figure BDA0003182588660000015
可以通过下式进行计算：
Figure BDA0003182588660000016
而Rs和Rp分别为s和p偏振光的反射率，可用下式计算：
Figure BDA0003182588660000017
Figure BDA0003182588660000021
其中m是有该假想均匀介质的有效折射率，其与有效介电常数的关系为m2＝εeff，材料孔隙率越大，有效介电常数越小，界面反射率越低。而θi(0≤θi≤π/2)和
Figure BDA0003182588660000022
Figure BDA0003182588660000023
为入射光线的天顶角和方位角。另一方面，采用Hartal多重散射近似，容易证明界面反射存在上限：
Figure BDA0003182588660000024
其中，α为材料内部微散射体的单次散射反射率。
根据以上计算可以看到发现，材料高孔隙率能降低界面反射，而较小的散射体尺寸能有效降低背散射水平，只有同时实现较高的孔隙率及较小的散射体尺寸(才能实现低反射、高吸收和高发射率。
然而，消杂光材料与基底的黏附能力较弱，一般需要加入额外的粘结剂。简单地将消杂光材料颗粒与粘结剂共混，会导致涂层孔隙率的降低，反射率增大，并不能得到具有较高吸光性能的消杂光材料。因此，开发新的涂层制备方法，提高消杂光材料与基底的黏附性能，同时保证其具有较强的吸收和发射性能，具有十分重要的意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种消杂光材料组合物，通过选择不同的底涂层材料，可以实现对任意基底的高黏附，适用性较强。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种消杂光材料组合物，包括基材、底涂层和面涂层；底涂层涂覆于金属基材表面，厚度为1～500μm；面涂层涂覆于所述底涂层上面，厚度为1～500μm，且所述面涂层包含粒径为100nm～30μm的碳基消杂光材料颗粒，孔隙率高于95％。
所述金属基材，优选具有高机械强度和高导热性的金属。更优选地，所述金属基材包含铝、铜、钛、镍、锆、铁、铝合金、铜合金、钛合金、镍合金、锆合金、不锈钢中的至少一种。最优选地，所述金属基材是铝合金和铜。
优选地，所述底涂层的厚度为1～500μm。本发明选用室温或高温固化的树脂或聚合物作为底涂材料，主要目的是提高面涂消杂光材料颗粒和基底之间的结合力，同时所述底涂层可以提高金属材料的耐腐蚀性能。优选地，所述底涂层包含丙烯酸树脂，聚氨酯，有机硅树脂、硅橡胶、环氧树脂、EVA中的至少一种。底层太厚导热不好，太薄固化太快，粘附能力较弱。不完全固化是为了让面涂层嵌入到底涂层中去。
优选地，所述面涂层为消杂光材料颗粒的分散液，涂覆的厚度为1～500μm。消杂光材料颗粒粒径为100nm～30μm，优选是100nm～10μm左右的碳基颗粒，孔隙率高于95％。太厚面涂层强度会比较低。
碳基消杂光材料颗粒的制备方法有很多种，包括多级孔道碳微球和碳囊泡。
一种消杂光材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(a)底涂层的制备：将室温或高温固化的树脂或聚合物的溶液或分散液涂覆到金属基材表面，加热至涂层半固化；
(b)将消杂光材料颗粒分散液涂覆至底涂层上面，加热至底涂层完全固化。
所述半固化，是室温或高温固化的树脂的分散液中的大部分溶剂已经蒸发除去，涂层呈现不可明显流动的半固体状态。涂层会有表干时间，在表干时间前涂覆面漆。消杂光材料会嵌入底涂层，提高涂层牢固度。
优选地，底涂层的制备中，采用喷涂、浸涂或者滚涂的方式将室温或高温固化的树脂涂覆到金属基材表面。
所述室温或高温固化的树脂优选使用丙二醇甲醚、乙酸丁酯、二异丁基甲酮、石油醚、丙酮、乙醇、异丙醇、甲苯、二甲苯作为溶剂。
在面涂层的制备中，优选使用喷涂、浸涂或者滚涂的方式将碳基消杂光材料颗粒分散液涂覆至底涂层上面；最优选使用喷涂或多次喷涂的方式。
优选地，所述消杂光材料颗粒分散液中的溶剂包括但不仅限于醇类溶剂、酯类溶剂、酮类溶剂、醚类溶剂、烃类溶剂；优选甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、乙酸正丁酯、丙酮、乙醚、甲苯、二甲苯中的一种或多种。
根据本发明的一种实施方式优选还包括在底涂层的制备之前对金属基材进行表面处理的步骤。
优选地，所述金属基材表面处理包括使用酒精或丙酮充分清洁表面；以及任选地，打磨基材表面的步骤。
在本发明中，所述消杂光材料组合物包括金属基材、底涂层和面涂层，所述底涂层为室温或高温固化的树脂或聚合物；面涂层为碳基消杂光材料颗粒。其中底涂层可以改善碳基消杂光材料颗粒与金属基底的作用力，提高涂层的和附着力；面涂层是具有非常高孔隙率的碳基消杂光材料颗粒，具有优异的吸光能力和红外发射率。而且本发明所制备的消杂光材料工艺简单，适合大规模生产。所得涂层在可见光光吸收率大于99％，中波红外发射率大于0.99，长波红外发射率大于0.98。
有益效果：本发明的消杂光材料组合物及制备方法，具有以下优点：
1.由于上述方法不会造成消杂光材料颗粒孔隙率的降低，因此所得消杂光材料具有较高的反射率和吸收率；
2.通过选择不同的底涂层材料，可以实现对任意基底的高黏附，适用性较强；
3.通过底涂层与面图层的组合，所得消杂光材料具有较高的强度。
附图说明
图1是消杂光材料涂层紫外-可见-近红外区半球反射率。
图2是消杂光材料涂层红外区半球反射率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例1
加成型双组分硅橡胶(Sylgard 184，道康宁，A组分于B组分质量比为10：1)溶解于乙酸乙酯中，形成质量分数为5％的溶液，通过喷涂沉积于金属铝基底上，并控制喷涂条件使其厚度为～30μm，于60℃预固化30min，形成半固化底涂层。将孔隙率98％，直径为5μm的多孔孔道碳微球分散于乙酸丁酯中，形成质量分数为2％的悬浮液，并通过喷涂涂覆于底涂层上，控制其厚度为20μm，于80℃加热6h完全固化，得到消杂光材料涂层，紫外-可见-近红外区半球反射率如图1所示，中红外区半球反射率如图2所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种消杂光材料组合物，其特征在于：包括基材、底涂层和面涂层；底涂层涂覆于基材表面，厚度为1～500μm；面涂层涂覆于所述底涂层上面，厚度为1～500μm，且所述面涂层包含粒径为100 nm～30μm的碳基消杂光材料颗粒，孔隙率高于95%。
2.根据权利要求1所述的消杂光材料组合物，其特征在于：所述基材为具有高机械强度和高导热性的金属。
3.根据权利要求2所述的消杂光材料组合物，其特征在于：所述基材包含铝、铜、钛、镍、锆、铁、铝合金、铜合金、钛合金、镍合金、锆合金、不锈钢中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的消杂光材料组合物，其特征在于：所述基材为铝合金和铜。
5.根据权利要求1所述的消杂光材料组合物，其特征在于：所述底涂层为室温或高温固化的树脂或聚合物。
6.根据权利要求1所述的消杂光材料组合物，其特征在于：所述面涂层为消杂光材料颗粒的分散液。
7.根据权利要求6所述的消杂光材料组合物，其特征在于：所述消杂光材料颗粒粒径为100 nm～30μm，孔隙率高于95%。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的消杂光材料组合物的制备方法，其特征在于：（a）将室温或高温固化的树脂或聚合物的溶液或分散液涂覆到基材表面，加热至涂层半固化；（b）将消杂光材料颗粒分散液涂覆至底涂层上面，加热至底涂层完全固化。
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