CN113980316A - 一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法，属于冷却技术领域，首先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；然后，在聚苯乙烯小球光子晶体结构上涂布二氧化钛胶体并在真空中干燥；接着，在箱式炉通过退火化工艺移除聚苯乙烯小球；接下来，在二氧化钛骨架上涂布紫外固化胶并覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；最后，固化后脱模获得彩色光子晶体结构的被动辐射冷却薄膜。该方法制备的彩色被动辐射冷却薄膜不需要掺入颜料，仅通过改变聚苯乙烯小球直径，便可获得不同颜色。该制备方法在实现不同色彩的同时，还具有被动辐射冷却功能。同时采用了已商业化应用的、成本低廉的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，具备了低成本、批量化制备的技术优势，具有较好的应用价值。

Description

一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于冷却技术领域，具体涉及一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法。

背景技术

随着人类经济社会的快速发展，人类对能源的消耗大幅上升，不可避免地造成能源危机、环境及生态污染等问题。被动辐射冷却技术是将波长范围约为0.3-2.5μm的太阳光反射或散射回去，同时把自身热量通过波长为8-13μm的“大气窗口”散逸到寒冷的外太空。被动辐射冷却无需消耗电能就能实现建筑物表面的自发降温，有望部分替代基于空气压缩的制冷系统(如空调等)。然而，现在的被动辐射薄膜一般制备工艺复杂，材料成本较高。而且，被动辐射冷却薄膜往往采用在冷却薄膜背面加入铝膜或银膜等金属反射膜来反射太阳光谱，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，而现有的无金属反射板的辐射冷却薄膜往往为了实现反射和散射太阳光谱，一般呈现自然乳白色。因此，在实际应用中，往往因为颜色单一，会造成建筑物或被冷却物体颜色较为单一、缺少基本的美学装饰感。显然，被动辐射冷却薄膜颜色单一的缺陷也阻碍了被动辐射冷却薄膜的广泛应用。

公布号为CN111996679A的发明专利“一种彩色辐射制冷柔性复合薄膜及其制备方法”公开了一种采用掺入颜料和静电纺丝的方法制备彩色辐射冷却制冷柔性复合薄膜，该薄膜的颜色是有颜料自身产生的。

公布号为CN112500595A的发明专利“空气孔光子晶体结构被动辐射薄膜及其制备方法”公布了由空气孔结构的聚二甲基硅氧烷构成的柔性被动辐射冷却薄膜及其制备方法。然而，该方法不能实现彩色被动辐射冷却薄膜的制备，且聚二甲基硅氧烷价格较为昂贵，不具备大批量商业化生产。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术不足，本发明提供一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法，制作简单，成本低廉。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明提出的一种空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，包括步骤：

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)在聚苯乙烯小球光子晶体结构上涂布二氧化钛胶体并在真空中干燥；

S3)通过退火化工艺移除聚苯乙烯小球；

S4)在二氧化钛骨架上涂布紫外固化胶并覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；

S5)固化后脱模获得彩色被动辐射冷却薄膜。

进一步地，所述的步骤S1)中，所述的聚苯乙烯小球的溶液是去离子水。

进一步地，所述的步骤S1)中，所述的聚苯乙烯小球直径为150nm～300nm。

进一步地，所述的步骤S1)中，所述的退火工艺条件为退火温度为40℃-50℃，时间为1-2h。

进一步地，所述的步骤S2)中，所述的二氧化钛胶体的颗粒尺寸为10-20nm，胶体由乙醇、去离子水、盐酸、钛酸四丁酯按体积比：10：4：2：5混合，并磁力搅拌30min获得，真空干燥的温度为40℃-60℃，时间为0.5h-2h。

进一步地，所述的步骤S3)中，所述的退火工艺通过箱式炉完成，退火温度保持在380℃-450℃，时间为6-7h。

进一步地，所述的步骤S4)中，紫外固化胶的厚度为10-20μm，聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)厚度为25μm-100μm。

进一步地，所述的步骤S5)中，固化采用紫外光照射，紫外光波长为365nm-400nm，固化时间为10s-60s。

有益效果：本发明的一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法，彩色由薄膜自身的光子晶体结构产生，在产生彩色太阳反射光的同时，还具备“大气窗口”波段的较高发射率，能实现高效的被动辐射冷却效果。

附图说明

图1是彩色被动辐射冷却薄膜工作原理示意图；

图2是彩色被动辐射冷却薄膜制备方法流程图；

图3是光子晶体结构聚苯乙烯小球的扫描电镜图；

图4是移除聚苯乙烯小球后的二氧化钛骨架扫描电镜图；

图5是红色被动辐射冷却薄膜的反射光谱图；

图6是的红色被动辐射冷却薄膜的冷却效果测试图；

图7是绿色被动辐射冷却薄膜的反射光谱图；

图8是蓝色被动辐射冷却薄膜的反射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细介绍。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下根据这些具体实施方式所做出的结构、方法或功能上的变换均应包含在本发明的保护范围内。

一种空气孔光子晶体结构被动辐射冷却薄膜的制备方法，包括步骤：

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)在聚苯乙烯小球光子晶体结构上涂布二氧化钛胶体并在真空中干燥；

S3)通过退火化工艺移除聚苯乙烯小球；

S4)在二氧化钛骨架上涂布紫外固化胶并覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；

S5)固化后脱模获得彩色被动辐射冷却薄膜。

步骤S1)中，聚苯乙烯小球的溶液是去离子水。

步骤S1)中，聚苯乙烯小球直径为150nm～300nm。

步骤S1)中，退火工艺条件为退火温度为40℃-50℃，时间为1-2h。

步骤S2)中，二氧化钛胶体的颗粒尺寸为10-20nm，胶体由乙醇、去离子水、盐酸、钛酸四丁酯按体积比：10：4：2：5混合，并磁力搅拌30min获得，真空干燥的温度为40℃-60℃，时间为0.5h-2h。

步骤S3)中，退火工艺通过箱式炉完成，退火温度保持在380℃-450℃，时间为6-7h。

步骤S4)中，紫外固化胶的厚度为10-20μm，聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)厚度为25μm-100μm。

步骤S5)中，固化采用紫外光照射，紫外光波长为365nm-400nm，固化时间为10s-60s。

参见图1所示，图1是彩色被动辐射冷却薄膜工作原理示意图。该彩色被动辐射冷却薄膜由材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(缩写：PET)1构成，在PET薄膜上表面设置蜂窝状排列紫外光固化胶2，且紫外光固化胶2填充在二氧化钛骨架3内。

实施例1：参见图2至图6，图2是彩色被动辐射冷却薄膜制备方法流程图；

图3是光子晶体结构聚苯乙烯小球的扫描电镜图；图4是移除聚苯乙烯小球后的二氧化钛骨架扫描电镜图；图5是红色被动辐射冷却薄膜的反射光谱图；图6是的红色被动辐射冷却薄膜的冷却效果测试图。如图2-6所示，本实施例的红色被动辐射冷却薄膜制备方法包括步骤：

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，在一种实施方式中，聚苯乙烯单分散小球采用本领域业已城市的膜乳化-溶剂萃取法制备纳米聚苯乙烯小球，基本方法是：将聚苯乙烯溶解于乙酸乙酯溶液中，同时按浓度比10％配制十二烷基磺酸钠与无水乙醇混合液，接着，采用孔径为800nm的无机钛板膜将含有聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液压入到十二烷基磺酸钠与无水乙醇混合液中，实现膜乳化-溶剂萃取反应，制备出乳状溶液。最后，乳状溶液经过超声波清洗、无水乙醇清洗、干燥后即得到纳米聚苯乙烯小球颗粒，将颗粒按质量比20％去离子水混合，即得到水溶性聚苯乙烯小球溶液。然后均匀涂布在单晶硅基底上，在50℃下退火2小时，经过自然冷却降温后在单晶硅基底上得到直径为300nm聚苯乙烯小球光子晶体结构(图3)。

在其他实施方式中，在保持基本步骤不变的前提下，通过改变无机钛板膜孔径的大小，可以得到直径范围为150-300nm的聚苯乙烯小球。

S2)在聚苯乙烯小球光子晶体结构上涂布二氧化钛胶体并在真空中干燥；

首先配制二氧化钛胶体，具体方法是：取50ml干燥的烧杯，再加入10ml的乙醇，4ml的去离子水，再加入2ml的盐酸，最后加入5ml的钛酸四丁酯，用锡纸封口(体积比10：4：2：5混合)，加入磁力搅拌子搅拌30min，即得到二氧化钛胶体溶液，二氧化钛胶体颗粒直径大小10-20nm。接着，将二氧化钛胶体溶液涂布聚苯乙烯小球光子晶体结构表面，并放置到真空干燥箱真空干燥的60℃，干燥2h。

S3)在箱式炉通过退火化工艺移除聚苯乙烯小球；；

将步骤将S2)中得到的模板整体放入到箱式炉中，退火温度保持在450℃，时间为7h，经过高温退火后，聚苯乙烯小球完全气化消失，而此时二氧化钛则固化形成具有纳米蜂窝孔状的骨架结构(如图4所示)。

S4)在二氧化钛骨架上涂布紫外固化胶并覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；

在二氧化钛骨架上涂布厚度为20μm的紫外固化胶(爱瑞森3311)，然后在紫外固化胶上覆盖厚度为100μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。液体状的紫外固化胶在自身重力作用下，自动渗入到二氧化钛纳米蜂窝孔中。

S5)固化后脱模获得彩色光子晶体结构的被动辐射冷却薄膜膜

用紫外光波长为365nm的紫外灯照射步骤S4)的样品60s，然后脱模，将单晶硅基底移除，即得到了红色被动辐射冷却薄膜。

如图5所示，通过紫外-可见分光光度计测试采用上述步骤制备的红色被动辐射冷却薄膜在可见光波段的反射率，从图中可以看出，制备的样品反射光谱波峰在655nm附近，与肉眼观测的红色相一致。进一步测试了样品的被动辐射冷却效果，将样品置于四周密封隔热、顶部开窗的测试箱内测试。测试结果如图6所示，从图中可以看出：从上午10:00时到下午16:00时，红色薄膜样品温度比环境温度明显偏低，平均降低约5℃，说明该薄膜不仅具有彩色的装饰效果，还具有较好的被动辐射冷却作用。

实施例2：图2是彩色被动辐射冷却薄膜制备方法流程图；图7是本实施例绿色被动辐射冷却薄膜的反射光谱图；如图2、图7所示，本实施例中的绿色被动辐射冷却薄膜制备方法包括步骤：

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，同实施例1，通过膜乳化-溶剂萃取法，改变无机钛板膜孔径为600nm，制备出直径为200nm的聚苯乙烯小球，然后将水溶性聚苯乙烯小球均匀涂布在石英基底上，在45℃下退火1.5h后得到聚苯乙烯小球光子晶体结构。

S2)在聚苯乙烯小球光子晶体结构上涂布二氧化钛胶体并在真空中干燥；

采用实施例1中二氧化钛胶体配制方法，将二氧化钛胶体溶液涂布聚苯乙烯小球光子晶体结构表面，并放置到真空干燥箱真空干燥的50℃，干燥1h。

S3)在箱式炉通过退火化工艺移除聚苯乙烯小球；

将步骤将S2)中得到的模板整体放入到箱式炉中，退火温度保持在400℃，时间为6.5h，经过高温退火后，聚苯乙烯小球完全气化消失，并留下蜂窝状纳米孔洞，而此时二氧化钛已经固化，因此也形成纳米蜂窝孔状的骨架结构。

S4)在二氧化钛骨架上涂布紫外固化胶并覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；

在二氧化钛骨架上涂布厚度为15μm的紫外固化胶(爱瑞森3311)，然后在紫外固化胶上覆盖厚度为60μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。液体状的紫外固化胶在自身重力作用下，自动渗入到二氧化钛纳米蜂窝孔中。

S5)固化后脱模获得彩色光子晶体结构的被动辐射冷却薄膜膜

用紫外光波长为400nm的紫外灯照射步骤S4)的样品40s，然后脱模，将单晶硅基底移除，即得到了绿色被动辐射冷却薄膜。

如图7所示，通过紫外-可见分光光度计测试采用上述步骤制备的绿色被动辐射冷却薄膜在可见光波段的反射率，从图中可以看出，制备的样品反射光谱波峰在510nm附近，说明样品呈现出绿色。

实施例3：图2是彩色被动辐射冷却薄膜制备方法流程图；图8是本实施例绿色被动辐射冷却薄膜的反射光谱图；如图2、图8所示，本实施例中的蓝色被动辐射冷却薄膜制备方法包括步骤：

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，同实施例1，通过膜乳化-溶剂萃取法，改变无机钛板膜孔径为400nm，制备出直径为150nm的聚苯乙烯小球，然后将水溶性聚苯乙烯小球均匀涂布在石英基底上，在40℃下退火1h后得到聚苯乙烯小球光子晶体结构。

S2)在聚苯乙烯小球光子晶体结构上涂布二氧化钛胶体并在真空中干燥；

采用实施例1中二氧化钛胶体配制方法，将二氧化钛胶体溶液涂布聚苯乙烯小球光子晶体结构表面，并放置到真空干燥箱真空干燥的40℃，干燥0.5h。

S3)在箱式炉通过退火化工艺移除聚苯乙烯小球；

将步骤将S2)中得到的模板整体放入到箱式炉中，退火温度保持在380℃，时间为6h，经过高温退火后，聚苯乙烯小球同样被完全气化消失，也留下蜂窝状纳米孔洞，而此时二氧化钛也已固化，也形成纳米蜂窝孔状的骨架结构。

S4)在二氧化钛骨架上涂布紫外固化胶并覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；

在二氧化钛骨架上涂布厚度为10μm的紫外固化胶(爱瑞森3311)，然后在紫外固化胶上覆盖厚度为25μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。液体状的紫外固化胶在自身重力作用下，自动渗入到二氧化钛纳米蜂窝孔中。

S5)固化后脱模获得彩色光子晶体结构的被动辐射冷却薄膜膜

用紫外光波长为375nm的紫外灯照射步骤S4)的样品10s，然后脱模，将单晶硅基底移除，即得到了蓝色被动辐射冷却薄膜。

如图8所示，测试本实施例3中的绿色被动辐射冷却薄膜样品，其在可见光波段的反射峰在435nm，与肉眼观测的蓝色相一致。

Claims (8)

1.一种彩色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)在聚苯乙烯小球光子晶体结构上涂布二氧化钛胶体并在真空中干燥；

S3)通过退火化工艺移除聚苯乙烯小球；

S4)在二氧化钛骨架上涂布紫外固化胶并覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；

S5)固化后脱模获得彩色被动辐射冷却薄膜。

2.根据权利1所述的一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1)中，所述的聚苯乙烯小球的溶液是去离子水。

3.根据权利1所述的一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1)中，所述的聚苯乙烯小球直径为150nm～300nm。

4.根据权利1所述的一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1)中，所述的退火工艺条件为退火温度为40℃-50℃，时间为1-2h。

5.根据权利1所述的一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤S2)中，所述的二氧化钛胶体的颗粒尺寸为10-20nm，胶体由乙醇、去离子水、盐酸、钛酸四丁酯按体积比：10：4：2：5混合，并磁力搅拌30min获得，真空干燥的温度为40℃-60℃，时间为0.5h-2h。

6.根据权利1所述的一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤S3)中，所述的退火工艺通过箱式炉完成，退火温度保持在380℃-450℃，时间为6-7h。

7.根据权利1所述的一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤S4)中，紫外固化胶的厚度为10-20μm，聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)厚度为25μm-100μm。

8.根据权利1所述的一种彩色被动辐射冷却薄膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤S5)中，固化采用紫外光照射，紫外光波长为365nm-400nm，固化时间为10s-60s。

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