CN114350155A - 一种高热导率薄膜及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高热导率薄膜及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高热导率薄膜及其制备方法与应用，包括聚合物基质和分散在聚合物基质中的光子结构纳米片；所述聚合物基质为具有高光反射率和高红外发射率的有机高分子聚合物；添加量为30‑85％，优选为50‑80％。该高热导率薄膜具有较好的辐射冷却效果，可以大幅度降低室外物体的表面温度，且不消耗能量，比较适合亚环境和高温环境中物体的辐射冷却。

Description

一种高热导率薄膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及室外物体辐射冷却散热材料技术领域，具体涉及一种高热导率薄膜及其制备方法与应用，高热导率薄膜可应用于亚环境和环境以上的辐射冷却。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
电力装备散热，建筑制冷以及电子器件的热管理消耗了大量的能源，进一步加剧了温室气体的排放，影响了人类社会的可持续发展。因此，世界各国的研究者们都在寻找新型、低能耗的冷却技术。辐射冷却可以通过大气窗口(8-13μm)自发地将热量消散到外层空间，且没有任何能量消耗或二氧化碳释放。目前可以通过设计材料的太阳光谱高反射率、大气窗口高发射率的光谱选择性光子结构，实现日间亚环境辐射冷却。
但对于许多其他冷却需求高的实际应用，如数据中心、车辆、和通信基站等，由于巨大的内部热量产生(即高于环境的冷却)，经过冷却的物体的温度通常高于环境温度。然而，传统的冷却方法(如空调)进一步加剧了温室气体排放，造成能源短缺，环境恶化等一系列问题。
面对温度比室外温度高的物体，在利用红外热发射进行辐射散射的同时，其辐射冷却涂料自身的低导热性会阻碍物体向外散热，影响了涂料在散热要求高的室外物体中的应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高热导率薄膜及其制备方法与应用。该高热导率薄膜具有较好的辐射冷却效果，可以大幅度降低室外物体的表面温度，且不消耗能量，比较适合亚环境和高温环境中物体的辐射冷却。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种高热导率薄膜，包括聚合物基质和分散在聚合物基质中的光子结构纳米片；
所述聚合物基质为具有高光反射率和高红外发射率的有机高分子聚合物；添加量为30-85％，优选为50-80％。
所述光子结构纳米片的材质为具有高光反射率和低热阻的无机介电材料；添加量为10-50％，优选为20-40％。光子结构纳米片尺寸为100-500nm，优选为200-350nm。
所述薄膜厚度为50-400μm，优选为150-300μm。
第二方面，本发明提供所述高热导率薄膜的制备方法，包括如下步骤：
将光子结构纳米片分散到有机溶剂中，得悬浊液；
向悬浊液中加入有机聚合物主剂和交联剂，混匀得复合溶液；
将制得的复合溶液流延法制湿膜；
将湿膜固化干燥成膜。
第三方面，本发明提供高热导率薄膜在用于降低室外物体表面温度中的应用。
上述本发明的一个或多个实施例取得的有益效果如下：
在聚合物薄膜基质中分散加入的光子结构纳米片(如h-BN)具有恰好高于阳光能量的带隙，使其在阳光波段没有吸收，具有高折光率，使其与聚合物基体形成较大的折光率差异，有利于提高对阳光的散射效率。同时，光子结构纳米片具有高导热率(＞400Wm-1K-1)，使其可以有效提升材料的整体导热率。
h-BN具有独特的2D形状，使得h-BN在较低填料含量下就可实现更高的阳光反射率，且使材料整体的导热率大幅提升。
该薄膜好具有良好的户外耐候性、柔韧性和阻燃性，以及具有较低的介电常数(＜4)与介电损耗(10-3)，有利于其应用于户外5G通讯设备，不会阻碍信号的传播。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种或多种实施方式的高热导率薄膜的结构示意图；
图2为各种不同材料的光学常数对比图；
图3为本发明实施例1制备的高热导率薄膜的光谱反射率图谱。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术中所介绍的，本发明为了解决传统的冷却方法(如空调)会进一步加剧温室气体的排放，造成能源短缺、环境恶化等一系列的问题，而提出了一种高热导率薄膜及其制备方法。使其具有良好的辐射冷却效果，可以有效降低室外物体的表面温度，且不消耗能量，进而不会加剧温室气体的排放。
第一方面，本发明提供一种高热导率薄膜，包括聚合物基质和分散在聚合物基质中的光子结构纳米片；
所述聚合物基质为具有高光反射率和高红外发射率的有机高分子聚合物；
所述光子结构纳米片的材质为具有高光反射率和低热阻的无机介电材料。
在一些实施例中，所述聚合物基质的材料选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种或多种。
优选的，所述聚合物基质的添加量为30-85％，％为质量百分数；
聚合物基质的添加量优选为50-80％。
在一些实施例中，所述光子结构纳米片的带隙大于太阳光的光子能量(0.49-4.13eV)。以避免对阳光的吸收。
进一步的，所述光子结构纳米片的材质为六方氮化硼(h-BN)。
h-BN满足制备高导热辐射制冷材料的三个重要特性：1)具有恰好高于阳光能量的带隙，这使其在阳光波段没有吸收；2)具有高折光率，这使其与聚合物基体形成较大的折光率差异，有利于提高对阳光的散射效率；3)具有高导热率，这使其可以有效提升材料整体的导热率。
优选的，光子结构纳米片的添加量为10-50％，％为质量百分数，光子结构纳米片的添加量优选为20-40％。
进一步的，所述光子结构纳米片的直径为100-500nm，优选为200-350nm。
在一些实施例中，高热导率薄膜的厚度为50-400μm，优选为150-300μm。
第二方面，本发明提供所述高热导率薄膜的制备方法，包括如下步骤：
将光子结构纳米片分散到有机溶剂中，得悬浊液；
向悬浊液中加入有机聚合物主剂和交联剂，混匀得复合溶液；
将制得的复合溶液流延法制湿膜；
将湿膜固化干燥成膜。
在一些实施例中，所述有机溶剂为乙醇或环己烷。
在一些实施例中，所述有机聚合物主剂为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种或多种；所述交联剂为二甲胺基丙胺或二乙胺基丙胺等。
优选的，一次持续搅拌的时间为0.8-1.2h，超声处理的时间为0.8-1.2h，二次持续搅拌的时间为20-40min。
在一些实施例中，流延法制湿膜的载体为载玻片。
在一些实施例中，所述固化干燥成膜步骤中，包括两阶段加热干燥步骤，第一阶段，在35-45℃保温20-40min；第二阶段，在50-58℃保温1.5-2.5h。
第一阶段缓慢升温，以避免升温过快导致膜内产生气泡。
第三方面，本发明提供高热导率薄膜在用于降低室外物体表面温度中的应用。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
高热导率薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：光子结构纳米片的分散：
将光子结构纳米片加入到装有有机溶剂的烧杯中并密封，经磁力搅拌器在常温下搅拌1h，随后将烧杯放入超声波清洗器中，常温下超声1h，可得到光子结构纳米片均匀分散的悬浊液。
步骤2：有机聚合物-纳米光子结构复合溶液的制备：
在上述均匀分散的悬浊液中加入一定比例的有机聚合物主剂，将烧杯继续置于磁力搅拌器上常温条件下搅拌1h，接着放入超声波清洗器中超声1h。待超声结束后，揭开烧杯上方的密封盖，重新放置在磁力搅拌器上搅拌30min，然后加入3wt％的交联剂，常温下磁力搅拌10min，即得到有机聚合物-纳米光子结构复合溶液；
步骤3：流延法制湿膜：
将上述有机聚合物-纳米光子结构复合溶液在清洁的载玻片上流延成膜，载玻片提前用酒精和去离子水超声洗净。调整流延机刮刀高度为2.3cm，设置推杆移动的速度为12mm/s，用滴管吸取复合溶液滴在载玻片的首端，打开流延机开关，刮刀推着溶液在载玻片衬底上均匀铺开，得到湿膜；
步骤4：固化干燥成膜：
将上述铺有湿膜的载玻片小心平移到加热板上，调节加热板进行梯度加热。第一阶段设置加热温度为40℃，加热板缓慢升温控温，避免温度升高过快导致膜内产生气泡。在40℃保温30min后，设置加热板温度为55℃，保温2h，即可得到表面平整、厚度均匀的高热导率薄膜复合厚膜。
通过在聚二甲基硅氧烷柔性基体中引入了具有宽带隙、高折射率和高后向散射效率的二维h-BN散射体，该薄膜具有良好的亚环境辐射冷却性能，与现有的光子结构相当。如图1所示，高热导率薄膜包括二维无机介电材料h-BN纳米片1和聚二甲基硅氧烷基体2，二维无机介电材料h-BN纳米片1均匀分散在聚二甲基硅氧烷基体2中。图2为PDMS和h-BN的复折射率，分别为1.4和2.2。薄膜厚度为200μm，h-BN纳米片的尺寸为300nm。
h-BN纳米片一般均匀分散，大部分沿薄膜平面对齐。h-BN纳米片在高热导率薄膜中的质量浓度为30％，高热导率薄膜在0.3-2.5μm波长范围内表现出96％反射率(如图3所示)，高红外(IR)发射率，可达0.89(在8-13μm大气窗口内为90.3％)。
h-BN的π键中电子离域的限制使其具有比太阳光子能量相对较宽的带隙(5.96eV)。另一方面，其带隙没有氧化铝和硫酸钡大，在500μm处有更高的折射率为2.2。
h-BN还具有较高的导热率(>300Wm-1K-1)可以进一步降低杂化光子结构的热阻，由等效介质理论，70％的PDMS基体与30％的h-BN颗粒(浓度为30％)混合的复合材料其热导率约为73.11Wm-1K-1。
该高热导率薄膜的介电常数较低，<4，并随着温度的升高而逐渐减小，这对不干扰信号的传播至关重要。该高热导率薄膜保持在10-3水平的介电损耗。
该高热导率薄膜具有较高的耐老化能力，经过一个月后其太阳反射率最多降低0.36％，红外发射率最多降低2.5％。
实施例2
高热导率薄膜的制备方法同实施例1，在聚甲基丙烯酸甲酯柔性基体中引入了具有宽带隙、高折射率和高后向散射效率的二维h-BN散射体，该薄膜具有良好的亚环境辐射冷却性能，与现有的光子结构相当。薄膜厚度为200μm，h-BN纳米片的尺寸为300nm。
h-BN纳米片在高热导率薄膜中的质量浓度为30％，高热导率薄膜在0.3-2.5μm波长范围内表现出94％反射率，高红外(IR)发射率，可达0.87。
70％的PMMA基体与30％的h-BN颗粒混合的复合材料其热导率约为73.08Wm-1K-1。
实施例3
高热导率薄膜的制备方法同实施例1，在聚碳酸酯柔性基体中引入了具有宽带隙、高折射率和高后向散射效率的二维h-BN散射体，该薄膜具有良好的亚环境辐射冷却性能，与现有的光子结构相当。薄膜厚度为200μm，h-BN纳米片的尺寸为300nm。
h-BN纳米片在高热导率薄膜中的质量浓度为30％，高热导率薄膜在0.3-2.5μm波长范围内表现出96％反射率，高红外(IR)发射率，可达0.93。
70％的PC基体与30％的h-BN颗粒混合的复合材料其热导率约为73.13Wm-1K-1。
实施例4
高热导率薄膜的制备方法同实施例1，在聚偏氟乙烯柔性基体中引入了具有宽带隙、高折射率和高后向散射效率的二维h-BN散射体，该薄膜具有良好的亚环境辐射冷却性能，与现有的光子结构相当。薄膜厚度为200μm，h-BN纳米片的尺寸为300nm。
h-BN纳米片在高热导率薄膜中的质量浓度为25％，高热导率薄膜在0.3-2.5μm波长范围内表现出95％反射率，高红外(IR)发射率，可达0.87。
75％的PVDF基体与25％的h-BN颗粒混合的复合材料其热导率约为60.11Wm-1K-1。
实施例5
高热导率薄膜的制备方法同实施例1，在聚对苯二甲酸乙二醇酯柔性基体中引入了具有宽带隙、高折射率和高后向散射效率的二维h-BN散射体，该薄膜具有良好的亚环境辐射冷却性能，与现有的光子结构相当。薄膜厚度为200μm，h-BN纳米片的尺寸为300nm。
h-BN纳米片在高热导率薄膜中的质量浓度为25％，高热导率薄膜在0.3-2.5μm波长范围内表现出96％反射率，高红外(IR)发射率，可达0.89。
75％的PET基体与25％的h-BN颗粒混合的复合材料，其热导率约为60.17Wm-1K-1。
对比例1
将氮化硼、过氧化二异丙苯和N,N-二乙基甲酰胺加入搅拌容器中，常温搅拌均匀，得混合溶液；
向混合溶液中加入聚乙烯，常温搅拌均匀；
将得到的混合溶液涂布，干燥后制得半成品膜；
将半成品膜裁切后放于200℃的平板硫化机中预热2min，然后用15MPa的压力热压5min，然后放于20℃的平板硫化机中，在5MPa的压力下保持2min，得导热薄膜。
导热薄膜的尺寸以及氮化硼在导热薄膜中的浓度均与实施例1相同。
高热导率薄膜在0.3-2.5μm波长范围内表现出72％反射率，红外(IR)发射率为0.40。
70％的PE基体与30％的h-BN颗粒混合的复合材料其热导率约为73.31Wm-1K-1。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高热导率薄膜，其特征在于：包括聚合物基质和分散在聚合物基质中的光子结构纳米片；
所述聚合物基质为具有高光反射率和高红外发射率的有机高分子聚合物；
所述光子结构纳米片的材质为具有高光反射率和低热阻的无机介电材料。
2.根据权利要求1所述的高热导率薄膜，其特征在于：所述聚合物基质的材料选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种；
优选的，所述聚合物基质的添加量为30-85％，％为质量百分数；
聚合物基质的添加量优选为50-80％。
3.根据权利要求1所述的高热导率薄膜，其特征在于：所述光子结构纳米片的带隙大于太阳光的光子能量0.49-4.13eV；
进一步的，所述光子结构纳米片的材质为六方氮化硼；
进一步的，光子结构纳米片的添加量为10-50％，％为质量百分数，光子结构纳米片的添加量优选为20-40％；
进一步的，所述光子结构纳米片的直径为100-500nm，优选为200-350nm。
4.根据权利要求1所述的高热导率薄膜，其特征在于：高热导率薄膜的厚度为50-400μm，优选为150-300μm。
5.权利要求1-4任一所述高热导率薄膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将光子结构纳米片分散到有机溶剂中，得悬浊液；
向悬浊液中加入有机聚合物主剂和交联剂，混匀得复合溶液；
将制得的复合溶液流延法制湿膜；
将湿膜固化干燥成膜。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为乙醇或环己烷。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述有机聚合物主剂为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种；
所述交联剂为二甲胺基丙胺或二乙胺基丙胺；
进一步的，所述有机聚合物主剂加入后，还包括一次持续搅拌、超声处理和二次持续搅拌的过程；
优选的，一次持续搅拌的时间为0.8-1.2h，超声处理的时间为0.8-1.2h，二次持续搅拌的时间为20-40min。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：流延法制湿膜的载体为载玻片。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述固化干燥成膜步骤中，包括两阶段加热干燥步骤，第一阶段，在35-45℃保温20-40min；第二阶段，在50-58℃保温1.5-2.5h。
10.权利要求1-4任一所述高热导率薄膜在用于降低室外物体表面温度中的应用。
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