CN114659290A - 一种基于纤维阵列的辐射制冷表面及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于纤维阵列的辐射制冷表面及其制备方法和应用，所述基于纤维阵列的辐射制冷表面包括底部胶层和顶部纤维阵列结构；所述底部胶层的制备原料包括高分子基体、无机填料粒子和固化剂。本发明提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面具有太阳光反射率高、中红外发射率高，与基底间附着力强等一系列优点，具有优异的辐射制冷性能。本发明提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面可用于建筑外墙、热控机构等，用以调节其内部温度。此外，本发明提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的制备工艺简单，成本低廉，适合于大面积生产与制备。
Description
技术领域
本发明属于辐射制冷技术领域，涉及一种基于纤维阵列的辐射制冷表面及其制备方法和应用。
背景技术
辐射制冷是一种常见的自然现象。辐射制冷材料是指利用自身向外的热辐射来传递热量，降低自身温度的一类材料。根据普朗克热辐射定律，任何物体都具有辐射特性，都在无时无刻向外界辐射能量。而大气层外的太空温度极低，这为辐射制冷提供了理想的冷源。但并非所有的材料都能成为辐射制冷器，因为地球被大气层所包围，大部分波长的红外辐射都会被大气层所吸收，转而将这部分能量通过辐射再返还给物体，从而无法实现辐射制冷。但是在大气透过光谱中，位于8-13μm的中远红外波段透过率极高。位于该波段的电磁波能够穿越大气层到达外太空，几乎不被吸收。因此该波段被称为大气透明窗口。材料如果在大气透明窗口区有较强的辐射能力，就可以实现辐射制冷。
辐射制冷可分为夜间辐射制冷与日间辐射制冷。由于在夜间，没有太阳辐射，物体具有大气窗口区的强辐射能力，即可实现辐射制冷；而在日间，物体受太阳光辐照。太阳源源不断地向地表辐射出热量，根据太阳光谱辐照度分布图，地球表面可接收的太阳辐照主要集中在可见光区(400-700nm)和近红外区(700-2500nm)。因此，实现日间辐射制冷的关键因素有两点：(1)在大气窗口区具有高的发射率；(2)在可见光区及近红外区对太阳光具有高的反射率。
在自然界中，某些昆虫由于其自身外壳上特殊的毛发状结构，能够增强对太阳光的反射和对红外光的发射能力。撒哈拉银蚂蚁是日间辐射制冷的典型生物学例子(SHI NN,TSAI C-C,CAMINO F,et al.2015.Keeping cool:Enhanced optical reflection andradiative heat dissipation in Saharan silver ants.Science[J],349:298)。撒哈拉银蚂蚁是一种生活在撒哈拉沙漠中的蚂蚁，经常穿行在47℃的温度下。蚂蚁上密集的独特三棱柱毛发阵列增强了太阳反射和红外发射。而且毛发呈三棱柱的形貌可以全反射，提高其反射率，有助于银蚂蚁保持凉爽。类似地，长角甲虫的翅膀绒毛也具有出色的温度调节功能(ZHANG H,LY K C S,LIU X,et al.2020.Biologically inspired flexible photonicfilms for efficient passive radiative cooling.Proc Natl Acad Sci USA[J],117:14657-14666)。目前通过模仿昆虫表皮毛发结构制备辐射制冷表面的报道尚未看到。
目前报道的辐射制冷材料大致有光学薄膜器件、超材料、多孔材料以及纤维织物等类型。光学薄膜器件由厚度在纳米量级的多层介质层所构成，通过介质层材料种类的组合和厚度变化，使通过其结构的光产生干涉增强或相消的现象，从而实现对入射光的反射、透射以及吸收的精准调控。美国斯坦福大学范善辉教授在2014年发表了光子晶体辐射制冷器的突破性成果(RAMAN A P,ANOMA M A,ZHU L,et al.2014.Passive radiative coolingbelow ambient air temperature under direct sunlight.Nature[J],515:540-544)。该膜层由七个不同厚度的HfO2和SiO2膜层交替叠加。HfO2和SiO2前三层不同厚度的叠加是通过材料特性和干涉效应组合，起增加中红外区辐射的作用；底部四层用来协助提高太阳光谱反射率。类似地，CN112984857A公开了一种能呈现结构色的辐射制冷多层膜结构。在超材料方面，2010年悉尼科技大学A.R.Gentle等提出通过将纳米尺寸的SiC和SiO2小球嵌入到聚乙烯薄膜中制备出一种新的超材料，实现有效的辐射制冷(GENTLE A R,SMITH G B2010.Radiative heat pumping from the Earth using surface phonon resonantnanoparticles.Nano Lett[J],10:373-379)；2015年，澳大利亚斯威本科技大学的MinGu等设计并制备一个由一系列对称形状的圆锥形微结构组成的超材料(HOSSAIN M M,JIA B,GUM 2015.A Metamaterial Emitter for Highly Efficient Radiative Cooling.AdvancedOptical Materials[J],3:1047-1051)。在多孔材料方面，2018年虞南方团队制备了多尺度的微纳多孔结构的聚合物薄膜材料(MANDAL J,FU Y,OVERVIG A C,etal.2018.Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passivedaytime radiative cooling.Science[J],362:315)。该薄膜材料的成分是PVDF-HFP，太阳光反射率达到0.96，大气窗口发射率达到0.97。此外，CN113136724A公布了一种辐射制冷织物，太阳光反射率达到0.95。
综上所述，目前辐射制冷材料的种类不一而足，原理及制备方法也有所不同，但若真正走向实际应用，还有一些问题有待解决：一维光子晶体及超材料等在制备过程中往往涉及表面蒸镀、刻蚀等微纳加工方法，过程复杂且成本昂贵，限制了大面积的应用。多孔型辐射制冷材料或纤维织物等通常存在耐候性差、附着力不好等缺点。
因此，需要开发一种制备方法简单，成本低廉，能够适应实际应用需求的新型辐射制冷表面。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于纤维阵列的辐射制冷表面及其制备方法和应用。本发明提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面解决了现有技术中其它类型辐射制冷材料存在的弊端(如光学薄膜及超材料制备工艺复杂且成本昂贵；多孔材料附着力差且较厚等)，同时改善了传统高反射表面中红外发射率不高的缺点。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于纤维阵列的辐射制冷表面，所述基于纤维阵列的辐射制冷表面包括底部胶层和顶部纤维阵列结构；
所述底部胶层的制备原料包括高分子基体、无机填料粒子和固化剂。
本发明提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面具有可见光反射率高、中红外发射率高、附着力好等优点，并且制备方法简单、成本低廉。
优选地，所述高分子基体包括硅橡胶、环氧树脂或碳氟树脂中的任意一种或至少两种的组合，优选为硅橡胶。
作为本发明的优选技术方案，所述固化剂的选择与所用高分子基体相匹配，例如，当高分子基体为硅橡胶时，所用固化剂为硅橡胶，当高分子基体为环氧树脂时，所用固化剂为环氧树脂固化剂。
优选地，所述无机填料粒子为高反射无机填料粒子。
优选地，所述无机填料粒子包括SiO2、Al2O3、金红石型TiO2或BaSO4中的任意一种或至少两种的组合，优选为金红石型TiO2。太阳光入射到胶层表面，经过填料粒子的Mie散射(米氏散射)，反射大部分光线。进一步的，通过改变填料粒子的粒径、质量分数等，可以对Mie散射行为进行调控，使胶层在可见及近红外区具有较高的反射率。
优选地，所述无机填料粒子的直径为50-500nm，例如50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm等。
优选地，所述SiO2的直径为100-300nm，例如100nm、150nm、200nm、250nm或300nm等。
优选地，所述Al2O3的直径为200-400nm，例如200nm、250nm、300nm、350nm或400nm等。
优选地，所述金红石型TiO2的直径为200-400nm，例如200nm、250nm、300nm、350nm或400nm等。
优选地，所述BaSO4的直径为100-300nm，例如100nm、150nm、200nm、250nm或300nm等。
本发明所述金红石型TiO2的直径优选为200-400nm。根据米氏散射理论，金红石型TiO2纳米颗粒在直径为200-400nm时在400-800nm波长区域取得散射效率峰值，对应在该波长范围内具有最好的反射能力，而该波长范围是太阳光能量最集中的区域，因此该直径的金红石型TiO2颗粒能取得最高的太阳光反射率。金红石型TiO2颗粒直径减小，散射效率峰值蓝移；金红石型TiO2颗粒直径增大，散射效率峰值红移，均无法在太阳辐射最强的波段取得最高的散射效率，对太阳光的反射能力会因此而降低。
优选地，所述无机填料粒子和所述基体的质量比为3:10-4:10，例如3:10、3.2:10、3.4:10、3.6:10、3.8:10或4:10等。如果无机填料粒子加入过多，底部胶层会变得粘稠，且植绒过程中不易使纤维飞升插入；如果无机填料粒子加入过少，不能有效反射太阳光。
优选地，所述固化剂和所述基体的质量比为1:10-2:10。
优选地，所述底部胶层的厚度为50-500μm，例如50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等，优选为100-200μm。如果底部胶层过薄，难以达到对太阳光的高反射，且在植绒过程中无法使纤维插入并固定；如果底部胶层过厚，植绒过程中纤维容易倒伏甚至沉没，无法形成良好的阵列结构，且胶层过厚固化后易脱落，表面的机械性能下降。
优选地，所述顶部纤维阵列结构由白色聚合物纤维组成。
优选地，所述顶部纤维阵列结构由白色尼龙纤维组成。
优选地，所述白色尼龙纤维的直径为5-15μm，例如5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm或15μm等，长度为400-600μm，例如400μm、450μm、500μm、550μm或600μm等。
优选地，所述顶部纤维阵列结构的面密度为10-100g/m2，例如10g/m2、20g/m2、30g/m2、40g/m2、50g/m2、60g/m2、70g/m2、80g/m2、90g/m2或100g/m2等，优选为20-40g/m2。
短纤维经静电植绒过程，垂直插入到底部胶层中，形成类似昆虫毛发的纤维阵列结构。该结构特征尺寸(纤维直径和纤维阵列结构的面密度)与红外光波长相当，可作为一层渐变折射率层，显著提高其在中红外大气窗口区的吸收率及发射率。
进一步的，选用硅橡胶作为底部胶层的高分子基体，硅橡胶在可见光波段具有很低的消光系数，几乎不吸收可见光能量；但同时在8-13μm的中红外波段具有较强的吸收峰，使得它成为一个典型的太阳光低吸收且红外光高发射的高分子材料。硅橡胶固化条件温和，固化产物柔软，与基体附着力较好。
选用金红石型TiO2作为无机填料粒子，金红石型TiO2纳米颗粒在可见光波段具有很高的折射率，这使得TiO2对可见光有很强的反射能力；同时仅在400nm以下的紫外光波段才出现吸收峰，而紫外光波段能量仅占太阳光总能量的5％左右，因此金红石型TiO2是一种优良的太阳光反射材料。相比于普通的TiO2，金红石型TiO2在可见光波段具有更高的折射率。
选用白色尼龙纤维构成纤维阵列结构，尼龙纤维经漂白后呈纯白色，具有很高的可见光区反射率，同时由于其自身的化学结构，在中红外区也能很好地吸收并发射红外光。
第二方面，本发明提供一种第一方面所述的基于纤维阵列的辐射制冷表面的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
通过静电植绒在底部胶层上构筑顶部纤维阵列结构，固化，得到所述基于纤维阵列的辐射制冷表面。
优选地，所述底部胶层通过以下方法制备得到：
将配方量的高分子基体、无机填料粒子和固化剂混合分散，得到混合液，然后将混合液涂覆在基底上，得到所述底部胶层。
优选地，所述混合分散为真空脱泡搅拌。
优选地，所述真空脱泡搅拌的具体过程为：在常压下以500-1000r/min(例如500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min或1000r/min等)的速率搅拌5-10min(例如5min、6min、7min、8min、9min或10min等)，然后在20-60kPa(例如20kPa、30kPa、40kPa、50kPa或60kPa等)的真空度下以1500-2500r/min(例如1500r/min、1600r/min、1700r/min、1800r/min、1900r/min、2000r/min、2100r/min、2200r/min、2300r/min、2400r/min或2500r/min等)的速率搅拌3-5min(例如3min、4min或5min等)。
优选地，所述涂覆的方式包括喷涂或刮涂。
优选地，所述喷涂包括采用口径为0.3-0.8mm(例如0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm或0.8mm等，优选为0.5mm)的喷枪或口径为0.3-0.8mm(例如0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm或0.8mm等，优选为0.5mm)的喷笔进行喷涂。
优选地，所述刮涂包括采用四角涂布器进行刮涂。
本发明对所述基底的具体选择不作限制，其只是起到承载底部胶层的作用，示例性地，所述基底可以为铝箔。
优选地，所述通过静电植绒在底部胶层上构筑顶部纤维阵列结构的过程为：
将底部胶层固定在金属上极板，将白色聚合物纤维分散在金属下极板，打开直流高压电源，白色聚合物纤维在静电场的作用下垂直飞升，插入到底部胶层中。
优选地，所述固定包括用胶带固定。
优选地，所述分散包括用振动筛分散。
优选地，所述上极板和下极板的间距为10-30cm，例如10cm、15cm、20cm、25cm或30cm等，优选为10cm。
优选地，所述直流高压电源的电压为5-40kV，例如5kV、10kV、15kV、20kV、25kV、30kV、35kV或40kV等，优选为30-35kV，通电时间为5-20s，例如5s、10s、15s或20s等，优选为10s。
如果电场强度过大，纤维飞升过程中容易搭连，形成通路，引起放电；如果电场强度过小，不足以使纤维飞升，或飞升速度过小无法插入胶层中。
优选地，所述固化的温度为80-100℃，例如80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等，优选为80℃，固化的时间为2-3h，例如2h、2.5h或3h等，优选为2h。
优选地，所述固化在烘箱中进行。
优选地，所述固化后还包括用高压气枪进行吹扫清理的步骤，以除去上面残余的灰尘及纤维。
作为本发明的优选技术方案，所述基于纤维阵列的辐射制冷表面的制备方法包括以下步骤：
(1)将配方量的高分子基体、无机填料粒子和固化剂混合分散，得到混合液，然后将混合液通过喷涂或刮涂的方式涂覆在基底上，得到所述底部胶层；
(2)将底部胶层固定在金属上极板，将白色聚合物纤维分散在金属下极板，打开直流高压电源，白色聚合物纤维在静电场的作用下垂直飞升，插入到底部胶层中，得到附着有纤维阵列结构的底部胶层；其中，上极板和下极板的间距为10-30cm，直流高压电源的电压为5-40kV，通电时间为5-20s；
(3)将步骤(2)的附着有纤维阵列结构的底部胶层在80-100℃下固化2-3h，得到所述基于纤维阵列的辐射制冷表面。
第三方面，本发明提供一种根据第一方面所述的基于纤维阵列的辐射制冷表面在制冷降温中的应用。
衡量所述基于纤维阵列的辐射制冷表面性能的参数包括制冷温差、制冷功率密度等。制冷功率密度是指单位面积内材料实现制冷的净功率，即单位面积，单位时间内所减少的能量；制冷温差是指材料与参比样品之间的温度差值，通常可以直观地反应材料的辐射制冷效果。
优选地，所述制冷降温包括用作建筑外墙或车辆的防晒降温、航天热控设备、户外集水装置的冷凝中的至少一种。
本发明中基于纤维阵列的辐射制冷表面的制冷原理是：底部硅橡胶中无机填料粒子通过Mie散射，能够对太阳光进行有效反射，阻止太阳辐射出的能量穿过表面进入内部；顶部纤维阵列状结构类似撒哈拉银蚁的毛发，由于特征尺寸与中红外光波长相当，因此相当于在底部胶层与外部空气之间形成一层渐变折射率层，能够有效地提高表面在中红外区的吸收与发射能力，从而可以通过热辐射的形式穿过大气窗口向外界发散出更多的能量。因此，本发明的基于纤维阵列的辐射制冷表面通过太阳光区的高反射率来降低从太阳辐射进入的能量，并且通过中红外大气窗口区的高发射率增加向外界热辐射出的能量，以达到减少自身能量的目的，实现降温的效果。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种基于纤维阵列的辐射制冷表面，所述基于纤维阵列的辐射制冷表面在可见光区平均反射率达97％以上，在中红外大气窗口区平均发射率达95％以上，在保证太阳光区高反射率的同时实现了中红外区的高发射率，克服了传统表面无法兼顾二者的缺陷，能有效反射绝大部分太阳光，同时可以通过热辐射的形式向外发射出大量自身能量，能够实现9℃的制冷温差；
(2)本发明采用喷涂或刮涂的方法制备底部胶层，再利用静电植绒的方法在胶层上构筑纤维阵列结构，相比于光子薄膜等类型的辐射制冷材料工艺简单、成本低廉、适合大面积制备，且克服了气凝胶及多孔材料等类型辐射制冷材料厚度过大，与基底附着力差的缺点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的结构示意图。
其中，1-底部胶层，2-顶部纤维阵列结构，3-太阳光反射，4-中红外光反射。
图2为本发明实施例1提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的正面SEM图。
图3为本发明实施例1提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的横截面SEM图。
图4为本发明实施例1提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的紫外-可见-近红外区反射率图。
图5为本发明实施例1提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的中红外区发射率图。
图6为本发明实施例1提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的户外实测降温曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
在本实施例中提供一种基于纤维阵列的辐射制冷表面(结构示意图如图1所示)，所述基于纤维阵列的辐射制冷表面包括底部胶层1和顶部纤维阵列结构2。其中，所述底部胶层的制备原料包括质量比为4:10:1的金红石型TiO2纳米颗粒、硅橡胶和硅橡胶固化剂，金红石型TiO2纳米颗粒的直径为230nm，硅橡胶和硅橡胶固化剂的型号为Sylgard 184，底部胶层的厚度为150μm；所述顶部纤维阵列结构由白色尼龙纤维组成，白色尼龙纤维的直径为14μm，长度为400-600μm，顶部纤维阵列结构的面密度为20g/m2。
本实施例的基于纤维阵列的辐射制冷表面采用以下方法制备：
(1)称取2g金红石型TiO2纳米颗粒，5g硅橡胶，0.5g硅橡胶固化剂，放入真空脱泡搅拌机中在常压下以800r/min的速率搅拌5min，然后在30kPa的真空度下以2000r/min的速率搅拌3min，得到混合液，然后采用四角涂布器将混合液刮涂在10cm*10cm大小的铝箔基底上，得到所述底部胶层；
(2)将底部胶层用纸胶带平整贴附在金属上极板上，并将其与电源负极相连接，用振动筛将白色尼龙纤维均匀铺撒在连接电源正极的金属下极板上，控制白色尼龙纤维的加入量使最终纤维阵列的面密度为20g/m2，打开直流高压电源，白色聚合物纤维在静电场的作用下垂直飞升，插入到底部胶层中，得到附着有纤维阵列结构的底部胶层；其中，上极板和下极板的间距为10cm，直流高压电源的电压为30kV，通电时间为10s；
(3)关闭高压电源，小心将金属上极板取出，放入烘箱中在80℃下保温3h，进行硅橡胶的固化，取出固化好的材料，用高压气枪进行吹扫清理，得到所述基于纤维阵列的辐射制冷表面。
对本实施例制备的基于纤维阵列的辐射制冷表面进行如下测试：
(1)采用扫描电子显微镜(Hitachi S4800)对所制备的基于纤维阵列的辐射制冷表面进行表面形貌分析；
(2)采用紫外可见近红外分光光度计(Agilent Cary7000)配备积分球附件对所制备的基于纤维阵列的辐射制冷表面进行太阳光波段的反射率进行测试；
(3)采用傅里叶变换红外光谱仪(Bruker Vertex80V)配备积分球附件对所制备的基于纤维阵列的辐射制冷表面进行中红外波段的发射率进行测试；
(4)对制备的基于纤维阵列的辐射制冷表面进行户外性能实测，将涂覆有该表面与未涂覆表面的铝箔样品分别置于大小材质相同的隔热箱中，隔热箱顶部分别开10cm*10cm孔并用样品封住，使涂覆表面一面向上用以反射太阳光。将热电偶分别贴附于两个样品底面，并连接数据记录器实时记录二者温度，同时通过小型气象站记录实时的天气状况。温度差越大则代表制冷效果越好。所使用的热电偶为Omega K型热电偶，温度数据记录器为Omega四通道数据记录器，小型气象站为云唐YT-QX04型自动气象站。
测试结果如图2-6所示。
图2-3是本实施例提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的正面及横截面的SEM图。由图可知，白色尼龙纤维均匀插入到底部胶层中，形成昆虫毛发状纤维阵列结构，阵列高度在500μm左右。
图4是本实施例提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的紫外-可见-近红外光谱图。由图中可以看出，表面在太阳光区取得了很高的反射率，最高达到99％，可见光区平均反射率在97％左右。
图5是本实施例提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的中红外区发射率图。由图中可以看出，表面在中红外大气窗口区具有很低的反射率。根据基尔霍夫辐射定律，表面也同时具有很高(平均95％以上)的中红外发射率。
图6是本实施例提供的基于纤维阵列的辐射制冷表面的户外实测降温曲线图。由图中可以看出，表面的制冷温降与实时的太阳辐射强度呈正比，太阳辐射强度越高，温降越大，制冷效果越好。表面最高能达到9℃的辐射制冷温降，具有优异的辐射制冷性能。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于，金红石型TiO2纳米颗粒的直径为50nm。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于，金红石型TiO2纳米颗粒的直径为500nm。
实施例4
本实施例与实施例1的区别仅在于，金红石型TiO2纳米颗粒、硅橡胶和硅橡胶固化剂的质量比为2:10:1。
实施例5
本实施例与实施例1的区别仅在于，金红石型TiO2纳米颗粒、硅橡胶和硅橡胶固化剂的质量比为5:10:1。
实施例6
本实施例与实施例1的区别仅在于，顶部纤维阵列结构的面密度为10g/m2。
实施例7
本实施例与实施例1的区别仅在于，顶部纤维阵列结构的面密度为60g/m2。
实施例8
本实施例与实施例1的区别仅在于，将金红石型TiO2纳米颗粒替换为等量的直径为200nm的SiO2纳米颗粒。
实施例9
本实施例与实施例1的区别仅在于，将金红石型TiO2纳米颗粒替换为等量的直径为300nm的Al2O3纳米颗粒。
实施例10
本实施例与实施例1的区别仅在于，将金红石型TiO2纳米颗粒替换为等量的直径为200nm的BaSO4纳米颗粒。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处仅在于，所述底部胶层的制备原料不包括金红石型TiO2纳米颗粒。
对比例2
本对比例与实施例1不同之处仅在于，将辐射制冷表面中顶部纤维阵列结构去除，即底部胶层不经过静电植绒过程直接固化。
采用与实施例1相同的方法对实施例2-10以及对比例1-2的辐射制冷表面进行性能测试，性能测试结果如表1所示。
表1
由表1可以看出，实施例2和实施例3的中红外区发射率与实施例1的发射率相似，均具有优异的红外发射能力；但实施例2与实施例3的太阳光平均反射率均低于实施例1。这是因为实施例2中金红石型TiO2的直径过小，实施例3中金红石型TiO2的直径过大，根据米氏散射理论，散射颗粒尺寸过大或过小，均无法在太阳光辐射强度最高的波段取得散射效率的峰值，因此其太阳光反射性能不如实施例1，进而导致其辐射制冷性能不如实施例1。
实施例4中太阳光反射率低于实施例1，这是因为TiO2加入量过少，无法有效反射太阳光；实施例5中红外大气窗口区发射率低于实施例1，这是因为TiO2加入量过多，胶液过于粘稠，植绒过程中纤维难以插入胶层中，纤维倒伏严重，因此TiO2加入量在TiO2：硅橡胶＝3:10-4:10才能在保证太阳光高反射的同时达到良好的植绒形貌，具有最优的技术效果。
实施例6中红外发射率不如实施例1，这是因为纤维阵列的面密度过小，纤维在胶层上排列过于稀疏，其阵列结构无法形成与中红外光波长相当的特征尺寸，因此难以有效提高表面在中红外区的吸收与发射；实施例7太阳光平均反射率低于实施例1，这是因为纤维阵列的面密度过大，纤维在胶层上排列过于密集，太阳光照射在表面上时大部分在顶部纤维之间反射，而顶部纤维的反射率低于底部含有TiO2颗粒的表面的反射率。因此，纤维阵列的面密度在20-40g/m2时才能同时兼顾太阳光区的高反射率与中红外区的高发射率，具有最优的制冷效果。
对比例1太阳光区反射率相比于实施例1要低很多，这是因为没有TiO2的米氏散射作用。对比例2中红外区发射率相比于实施例1要低很多，这是因为表面没有纤维阵列结构，无法形成渐变折射率层。因此，对比例1与对比例2的辐射制冷性能都远不如实施例1。
由此可见，本发明开发了一种基于纤维阵列的辐射制冷表面，所述表面具有太阳光区高反射率，中红外区高发射率，具有柔性，与基底附着力良好等特性。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的基于纤维阵列的辐射制冷表面及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种基于纤维阵列的辐射制冷表面，其特征在于，所述基于纤维阵列的辐射制冷表面包括底部胶层和顶部纤维阵列结构；
所述底部胶层的制备原料包括高分子基体、无机填料粒子和固化剂。
2.根据权利要求1所述的基于纤维阵列的辐射制冷表面，其特征在于，所述高分子基体包括硅橡胶、环氧树脂或碳氟树脂中的任意一种或至少两种的组合，优选为硅橡胶；
优选地，所述无机填料粒子包括SiO2、Al2O3、金红石型TiO2或BaSO4中的任意一种或至少两种的组合，优选为金红石型TiO2；
优选地，所述无机填料粒子的直径为50-500nm；
优选地，所述SiO2的直径为100-300nm；
优选地，所述Al2O3的直径为200-400nm；
优选地，所述金红石型TiO2的直径为200-400nm；
优选地，所述BaSO4的直径为100-300nm。
3.根据权利要求1或2所述的基于纤维阵列的辐射制冷表面，其特征在于，所述无机填料粒子和所述基体的质量比为3:10-4:10；
优选地，所述固化剂和所述基体的质量比为1:10-2:10；
优选地，所述底部胶层的厚度为50-500μm，优选为100-200μm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于纤维阵列的辐射制冷表面，其特征在于，所述顶部纤维阵列结构由白色聚合物纤维组成；
优选地，所述顶部纤维阵列结构由白色尼龙纤维组成；
优选地，所述白色尼龙纤维的直径为5-15μm，长度为400-600μm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于纤维阵列的辐射制冷表面，其特征在于，所述顶部纤维阵列结构的面密度为10-100g/m2，优选为20-40g/m2。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于纤维阵列的辐射制冷表面的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
通过静电植绒在底部胶层上构筑顶部纤维阵列结构，固化，得到所述基于纤维阵列的辐射制冷表面。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述底部胶层通过以下方法制备得到：
将配方量的高分子基体、无机填料粒子和固化剂混合分散，得到混合液，然后将混合液涂覆在基底上，得到所述底部胶层；
优选地，所述混合分散为真空脱泡搅拌；
优选地，所述真空脱泡搅拌的具体过程为：在常压下以500-1000r/min的速率搅拌5-10min，然后在20-60kPa的真空度下以1500-2500r/min的速率搅拌3-5min；
优选地，所述涂覆的方式包括喷涂或刮涂；
优选地，所述喷涂包括采用口径为0.3-0.8mm的喷枪或口径为0.3-0.8mm的喷笔进行喷涂；
优选地，所述刮涂包括采用四角涂布器进行刮涂。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述通过静电植绒在底部胶层上构筑顶部纤维阵列结构的过程为：
将底部胶层固定在金属上极板，将白色聚合物纤维分散在金属下极板，打开直流高压电源，白色聚合物纤维在静电场的作用下垂直飞升，插入到底部胶层中；
优选地，所述上极板和下极板的间距为10-30cm；
优选地，所述直流高压电源的电压为5-40kV，通电时间为5-20s。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述固化的温度为80-100℃，固化的时间为2-3h。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的基于纤维阵列的辐射制冷表面在制冷降温中的应用；
优选地，所述制冷降温包括用作建筑外墙或车辆的防晒降温、户外集水装置的冷凝中的至少一种。
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