CN114736555A - 辐射冷却材料及制备方法和辐射冷却涂料、薄膜及车厢 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辐射冷却材料及制备方法和辐射冷却涂料、薄膜及车厢，其中辐射冷却材料包括若干辐射冷却材料单元，每个辐射冷却材料单元包括中心金属层、第一介质层和第二介质层；在所述中心金属层的两侧各紧密贴附所述第一介质层，在每个所述第一介质层的外侧各紧密贴附所述第二介质层；其中，所述辐射冷却材料，在太阳光谱范围内的反射率≥90％，在大气窗口范围内的辐射率＞0.9。本发明能够兼具太阳光谱范围内的高反射率和大气窗口范围内的高辐射率，具有较好地辐射冷却作用，且辐射冷却材料单元为对称的结构设计，对称的结构保证无论哪一面朝外都具有相同的辐射冷却性能。
Description
技术领域
本申请涉及辐射冷却技术领域，具体而言，涉及一种辐射冷却材料及制备方法和一种辐射冷却涂料、辐射冷却薄膜及车厢。
背景技术
全天候辐射制冷技术要求辐射冷却材料需同时具备太阳光谱范围内的高反射以及大气窗口范围内的高辐射性能，以达到白天尽可能低的太阳光吸热率和尽可能大的红外辐射率，从而实现辐射降温的目的。
现有的辐射冷却技术中的辐射冷却材料虽然具有高反射高辐射的性能，但是一般需要添加其他辅助材料，来发挥出冷却降温的功能。同时，现有技术中的辐射冷却材料中的薄膜在使用时，一般只能特定的一面朝向太阳光，另一面朝向太阳光时冷却效果很差。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种辐射冷却材料，其能够兼具太阳光谱范围内的高反射率和大气窗口范围内的高辐射率，具有较好地辐射冷却作用，且辐射冷却材料单元对称的结构设计，对称的结构保证无论哪一面朝外都具有相同的辐射冷却性能。
本申请实施例的第二目的还在于提供一种辐射冷却材料的制备方法。
本申请实施例的第三目的还在于提供一种使用上述辐射冷却材料的辐射冷却涂料。
本申请实施例的第四目的还在于提供一种使用上述辐射冷却材料的辐射冷却薄膜。
本申请实施例的第五目的还在于提供一种使用上述辐射冷却材料的车厢。
第一方面，提供了一种辐射冷却材料，包括若干辐射冷却材料单元，每个辐射冷却材料单元包括中心金属层、第一介质层和第二介质层；在所述中心金属层的两侧各紧密贴附所述第一介质层，在每个所述第一介质层的外侧各紧密贴附所述第二介质层；其中，所述辐射冷却材料，在太阳光谱范围内的反射率≥90％，在大气窗口范围内的辐射率＞0.9。
进一步地，所述第一介质层在太阳光谱范围内的折射率＜1.6，在太阳光谱范围内的透过率≥90％，在大气窗口范围内的辐射率＞0.9；所述第二介质层在太阳光谱范围内的折射率＞1.6，在太阳光谱范围内的透过率≥90％，在大气窗口范围内的辐射率＞0.9。
进一步地，所述辐射冷却材料的中值粒径d50的数值为0.1～30微米。
进一步地，所述中心金属层的厚度为5～250nm，第一介质层的厚度为2～200nm，第二介质层的厚度为2～200nm。
进一步地，所述中心金属层的制作材料包括铝、银、铜、镍、铬、钛、钼、不锈钢中的至少一种；所述第一介质层的制作材料包括氧化铝、氮氧化铝、氧化硅、氟化镁中的至少一种；所述第二介质层的制作材料包括氧化钛、氮化硅、氧化铪、氧化铌中的至少一种。
根据本申请的第二方面，还提供了一种辐射冷却材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、在厚度均匀且具有预定尺寸大小的基底上均匀涂抹一层离型层；
S2、在离型层上依次沉积第二介质层、第一介质层、中心金属层、第一介质层和第二介质层，形成辐射冷却膜层；
S3、准备能溶解离型层但不腐蚀基底的溶剂，将步骤S2中的基底、离型层和辐射冷却膜层浸入所述溶剂中，利用溶剂溶解离型层，使第二介质层、第一介质层、中心金属层、第一介质层和第二介质层形成的辐射冷却膜层从基底上脱落，形成含有辐射冷却膜层的溶液；
S4、将含有辐射冷却膜层的溶液通过浓缩、分散和研磨，形成包含预定粒径大小的辐射冷却材料的浆料，称为流体状的辐射冷却材料。
进一步地，还包括以下步骤：
S5、将所述浆料干燥，形成粉末状的辐射冷却材料。
根据本申请的第三方面，还提供了一种辐射冷却涂料，包括有机聚合物和上述方案中的辐射冷却材料，将所述有机聚合物和所述辐射冷却材料混合形成辐射冷却涂料。
根据本申请的第四方面，还提供了一种辐射冷却薄膜，所述辐射冷却薄膜的制作材料包含上述方案中的辐射冷却材料。
根据本申请的第五方面，还提供了一种车厢，在车厢的表面涂抹有上述方案中的辐射冷却涂料，或在车厢的表面覆盖有上述方案中的辐射冷却薄膜。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请的辐射冷却材料，兼具太阳光谱范围内的高反射率和大气窗口范围内的高辐射率，如此仅该辐射冷却材料便可实现辐射冷却的性能，降低了后续应用过程中配方设计的工艺复杂度。
同时，第二介质层、第一介质层、中心金属层、第一介质层和第二介质层的对称的结构设计，使得本申请的辐射冷却材料适合添加到有机聚合物中使用，比如涂料、油墨等，在涂刷的过程中，对称的结构保证无论哪一面朝外都具有相同的性能。此外，本申请的辐射冷却材料也可以制作成辐射冷却薄膜，对称的结构保证无论哪一面朝外都具有相同的高反射高辐射的性能，实现较好地辐射冷却功能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为根据本申请实施例示出的一种辐射冷却材料单元的结构图；
图2为根据本申请实施例示出的一种辐射冷却材料的制备方法的流程图；
图3为根据本申请实施例示出的另一种辐射冷却材料的制备方法的流程图。
图中：1、第二介质层；2、第一介质层；3、中心金属层；4、第一介质层；5、第二介质层。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
根据本申请的第一方面，如图1所示，首先提供一种辐射冷却材料，包括若干辐射冷却材料单元，每个辐射冷却材料单元包括中心金属层3、第一介质层2、第一介质层4、第二介质层1和第二介质层5。
其中，在中心金属层3的两侧各紧密贴附第一介质层2和第一介质层4，在第一介质层2的外侧各紧密贴附第二介质层1，在第一介质层4的外侧各紧密贴附第二介质层5。上述的辐射冷却材料在太阳光谱范围内的反射率≥90％，在大气窗口范围内的辐射率＞0.9。
本实施例的辐射冷却材料，兼具太阳光谱范围内的高反射率和大气窗口范围内的高辐射率，如此仅该辐射冷却材料便可实现辐射冷却的性能，降低了后续应用过程中配方设计的工艺复杂度。
同时，第二介质层1、第一介质层2、中心金属层3、第一介质层4和第二介质层5的对称的结构设计，使得本申请的辐射冷却材料适合添加到有机聚合物中使用，比如涂料、油墨等，在涂刷的过程中，对称的结构保证无论哪一面朝外都具有相同的性能。
此外，每个辐射冷却材料单元都为片状的、具有预定大小片径的颗粒，片状中的辐射冷却材料单元更容易在抹平、涂抹操作中贴附在物质表面，从而保证至少一面朝向外界，又因为辐射冷却材料单元为对称的结构，无论哪一面朝向外侧都能获得同样好的辐射冷却效果。
需要说明的是，这里所指的太阳光谱波长范围约为0.35-2.5微米，大气窗口波长范围约为8-13微米，由于标准划分不同，在所指明的范围内数值可以是其它标准形式。
进一步地，第一介质层在太阳光谱范围内的折射率＜1.6，在太阳光谱范围内的透过率≥90％，在大气窗口范围内的辐射率＞0.9。第二介质层在太阳光谱范围内的折射率＞1.6，在太阳光谱范围内的透过率≥90％，在大气窗口范围内的辐射率＞0.9。
进一步地，辐射冷却材料的中值粒径d50的数值为0.1～30微米，能较好地保证辐射冷却材料在使用时，能够呈现较为均匀的、适中的粒径大小，其中中值粒径可以为0.6微米、0.8微米、0.9微米、1微米、5微米、10微米、15微米或20微米等。例如加入一些外墙涂料中，形成的辐射冷却涂料中的辐射冷却材料粒径大小适中，能够实现较为均匀的辐射冷却效果。
更重要的是，通过控制中值粒径的大小，可以调节辐射冷却材料对不同波长光的散射能力，从而影响光谱吸收系数、散射系数等辐射特性参数的变化。
进一步地，第一介质层2(第一介质层4)的折射率小于第二介质层1(第二介质层5)的折射率，如此可进一步提高中心金属层3在可见光区的反射率。
需要说明的是，中心金属层3的外侧分别具有低、高折射率的第一介质层和第二介质层，不仅可进一步提升中心金属层3在可见光区的反射率，还能起到保护中心金属层3的作用，提高中心金属层3在后续应用中的稳定性，提升了材料的适用性。
对于中心金属层3的外侧分别具有低、高折射率的第一介质层和第二介质层，如何提升中心金属层3在可见光区的反射率，原理解释如下：
(1)当光线从折射率为n0的介质垂直射入折射率为n1的另一介质时，在两介质的分界面上就会产生光的反射，在此分界面上的反射率为：
则，透过率T＝1-R。
(2)若光线从空气垂直射入中心金属层时，在分界面上的反射率为
其中，n-ik是中心金属层的复折射率，n、k分别称作折射率和消光系数。
(3)如果在金属膜上镀以折射率为nL的第一介质层和nH的第二介质层，其中nL为低折射率的第一介质层，且第一介质层紧贴中心金属层，nH为高折射率的第二介质层，则此时等效折射率变为：
中心金属层的反射率为：
因为nH＞nL，使(nHnL)2＞1,故R2大于R，因此提高了中心金属层的反射率。
进一步地，中心金属层的厚度为5～250nm，第一介质层的厚度为2～200nm，第二介质层的厚度为2～200nm。
进一步地，中心金属层的制作材料包括铝、银、铜、镍、铬、钛、钼、不锈钢中的至少一种；第一介质层的制作材料包括氧化铝、氮氧化铝、氧化硅、氟化镁中的至少一种；第二介质层的制作材料包括氧化钛、氮化硅、氧化铪、氧化铌中的至少一种。
由上述材料组成可知，本申请的辐射冷却材料，同时具备导电、导热功能，通过添加该辐射冷却材料制备出的的辐射冷却衍生产品，如电泳漆，可应用于大型异形工件的电泳涂装，解决了真空镀膜产品无法大面积制备异型工件的限制。
依据上述实施例的方案，提供三种辐射冷却材料的具体实施例。具体如下：
实施例1
中心金属层3为铝层，第一介质层2和第一介质层4为氧化硅层，第二介质层1和第二介质层5为二氧化钛层。铝层的厚度为200nm，氧化硅层的厚度为95nm，二氧化钛层的厚度为60nm。该辐射冷却材料的中值粒径d50为800nm。
实施例2
中心金属层3为铝层，第一介质层2和第一介质层4为氧化铝层，第二介质层1和第二介质层5为二氧化钛层。铝层的厚度为100nm，氧化铝层的厚度为90nm，二氧化钛层的厚度为60nm。该辐射冷却材料的中值粒径d50为600nm。
实施例3
中心金属层3为银层、第一介质层2和第一介质层4为氧化铝和氧化硅复合层，第二介质层1和第二介质层5为二氧化钛层。银层的厚度为100nm，氧化铝、氧化硅复合层的厚度分别为45nm、47nm，二氧化钛层的厚度为60nm。该辐射冷却材料的中值粒径d50为900nm。
依据现有的测试方法和测试标准对三种具体实施例进行反射率及辐射率的性能测试，结果如下表：
由上述实验可知，本申请的辐射冷却材料的反射率都保持在大于等于90％，辐射率也保持在大于等于0.9，具有高反射率和高辐射率的特点，从而实现尽可能低的太阳光吸热率和尽可能大的红外辐射率，从而实现辐射降温的目的。
根据本申请的第二方面，如图2所示，还提供了一种制备上述实施例中的辐射冷却材料的制备方法。
在现有的辐射冷却技术中，利用真空镀膜技术制备的辐射冷却膜虽然具有高反射高辐射的性能，但只能在相对平坦的、受镀膜设备尺寸大小限制的材料上制备。实施例的辐射冷却材料的制备方法为解决真空镀膜技术无法实现大尺寸、异型材料表面辐射冷却膜的制备问题及辐射冷却涂料反射率低的问题。
本实施例的辐射冷却材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、在厚度均匀且具有预定尺寸大小的基底上均匀涂抹一层离型层。
步骤S1中，基底可选用不锈钢、PET等材质，厚度在0.1～0.5mm之间，基底材质的选择依据为不溶于后续过程中使用的溶剂。离型层可选用聚氨酯、热塑性丙烯酸、硝基纤维素、水性聚氨酯树脂、聚乙烯醇等材质，厚度在2～20μm范围之间，离型层的选择依据为可溶解于后续过程中使用的溶剂中，并且要具有一定的耐温性(＞120℃)及低释气性。
S2、在离型层上依次沉积第二介质层、第一介质层、中心金属层、第一介质层和第二介质层，形成辐射冷却膜层。
例如，在步骤2中，基底可以输送进磁控溅射产线，在离型层上依次通过反应溅射的方法沉积第二介质层1、第一介质层2，通过直流溅射的方法沉积中心金属层3，通过反应溅射的方法沉积第一介质层4、第二介质层5后，基底由磁控溅射产线输出。
S3、准备能溶解离型层但不腐蚀基底的溶剂，将步骤S2中的基底、离型层和辐射冷却膜层浸入所述溶剂中，利用溶剂溶解离型层，使第二介质层、第一介质层、中心金属层、第一介质层和第二介质层形成的辐射冷却膜层从基底上脱落，形成含有辐射冷却膜层的溶液。
步骤S3中的溶剂可选用异丙醇、醋酸乙酯、醋酸丁酯、水等，溶剂选择依据为能溶解离型层同时又不腐蚀基底材料。
S4、将含有辐射冷却膜层的溶液通过浓缩、分散和研磨，形成包含预定粒径大小的辐射冷却材料的浆料，称为流体状的辐射冷却材料。
进一步地，如图3所示，一种辐射冷却材料的制备方法还包括以下步骤：
S5、将所述浆料干燥，形成粉末状的辐射冷却材料。
流体状的辐射冷却材料和粉末状的辐射冷却材料，一方面便于不同方式的转运和存储，另一方面便于应用于不同的场景中。
在步骤S1至S5的辐射冷却材料的制备方法中，只需要确保第二介质层、第一介质层、中心金属层、第一介质层和第二介质层按顺序沉积，且能够保证第二介质层、第一介质层、中心金属层、第一介质层和第二介质层所需要的厚度范围内即可。第二介质层、第一介质层、中心金属层、第一介质层和第二介质层沉积后为层状结构，其用于沉积的基底和离型层无需保证为固定的形状，对面积也无要求，因此本申请中的辐射冷却材料的制作不受镀膜设备尺寸大小的限制。同时，流体状和粉末状的辐射冷却材料，可以与其他涂料结合，涂覆到大尺寸、异型材料表面，很好地的适应大尺寸、异型材料表面，解决大尺寸、异型材料表面辐射冷却涂料反射率低的问题。
进一步地，对于步骤S4中的含有辐射冷却膜层的溶液可通过超滤浓缩、超声波分散、球磨机中研磨来获得具有所需片径、所需浓度的辐射冷却材料的浆料。
进一步地，中心金属层、第一介质层、第二介质层可采用真空蒸镀、磁控溅射、电子束蒸镀、离子镀等PVD方法中的至少一种来制备。
进一步地，浆料的中值粒径d50的数值也可以处于0.1～30微米，能较好地保证辐射冷却材料在使用时，能够呈现较为均匀的、适中的粒径大小，通过控制中值粒径的大小，可以调节浆料对不同波长光的散射能力，从而影响光谱吸收系数、散射系数等辐射特性参数的变化。
根据本申请的第三方面，还提供了一种辐射冷却涂料，包括有机聚合物和上述方案中的辐射冷却材料，将有机聚合物和辐射冷却材料混合形成辐射冷却涂料。与有机聚合物混合的辐射冷却材料可以上述方案中的浆料，也可以是粉末状的辐射冷却材料。
其中，辐射冷却涂料可以涂覆到大尺寸、异型材料表面，很好地的适应大尺寸、异型材料表面，实现高反射、高辐射率的辐射冷却，解决大尺寸、异型材料表面辐射冷却涂料反射率低的问题。
在一种实施方案中，有机聚合物包括但不限于普通墙体涂料、电泳漆、色母粒。
例如，在制作一种冷却辐射涂料时，有机聚合物为电泳漆，取适量前述方案中的浆料，浆料中含约10％的辐射冷却材料，加入到有机电泳树脂基体中，视其它用途可在基体树脂中加入颜料、消泡剂、分散剂、稀释剂等其它助剂，制成辐射冷却电泳漆，从而使电泳漆具备辐射冷却的功能。
根据本申请的第四方面，还提供了一种辐射冷却薄膜，辐射冷却薄膜的制作材料包含上述方案中的辐射冷却材料。
根据本申请的第五方面，还提供了一种车厢，其特征在于，在车厢的表面涂抹有上述方案中的辐射冷却涂料，或在车厢的表面覆盖有上述方案中的辐射冷却薄膜。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种辐射冷却材料，其特征在于，包括若干辐射冷却材料单元，每个辐射冷却材料单元包括中心金属层、第一介质层和第二介质层；
在所述中心金属层的两侧各紧密贴附所述第一介质层，在每个所述第一介质层的外侧各紧密贴附所述第二介质层；
其中，所述辐射冷却材料，在太阳光谱范围内的反射率≥90％，在大气窗口范围内的辐射率＞0.9。
2.根据权利要求1所述的辐射冷却材料，其特征在于，所述第一介质层在太阳光谱范围内的折射率＜1.6，在太阳光谱范围内的透过率≥90％，在大气窗口范围内的辐射率＞0.9；
所述第二介质层在太阳光谱范围内的折射率＞1.6，在太阳光谱范围内的透过率≥90％，在大气窗口范围内的辐射率＞0.9。
3.根据权利要求1所述的一种辐射冷却材料的制备方法，其特征在于，所述辐射冷却材料的中值粒径d50的数值为0.1～30微米。
4.根据权利要求2所述的辐射冷却材料，其特征在于，所述中心金属层的厚度为5～250nm，第一介质层的厚度为2～200nm，第二介质层的厚度为2～200nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的辐射冷却材料结构，其特征在于，所述中心金属层的制作材料包括铝、银、铜、镍、铬、钛、钼、不锈钢中的至少一种；所述第一介质层的制作材料包括氧化铝、氮氧化铝、氧化硅、氟化镁中的至少一种；所述第二介质层的制作材料包括氧化钛、氮化硅、氧化铪、氧化铌中的至少一种。
6.一种辐射冷却材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在厚度均匀且具有预定尺寸大小的基底上均匀涂抹一层离型层；
S2、在离型层上依次沉积第二介质层、第一介质层、中心金属层、第一介质层和第二介质层，形成辐射冷却膜层；
S3、准备能溶解离型层但不腐蚀基底的溶剂，将步骤S2中的基底、离型层和辐射冷却膜层浸入所述溶剂中，利用溶剂溶解离型层，使第二介质层、第一介质层、中心金属层、第一介质层和第二介质层形成的辐射冷却膜层从基底上脱落，形成含有辐射冷却膜层的溶液；
S4、将含有辐射冷却膜层的溶液通过浓缩、分散和研磨，形成包含预定粒径大小的辐射冷却材料的浆料，称为流体状的辐射冷却材料。
7.根据权利要求6所述的一种辐射冷却材料的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S5、将所述浆料干燥，形成粉末状的辐射冷却材料。
8.一种辐射冷却涂料，其特征在于，包括有机聚合物和权利要求1-7中任一项所述的辐射冷却材料，将所述有机聚合物和所述辐射冷却材料混合形成辐射冷却涂料。
9.一种辐射冷却薄膜，其特征在于，所述辐射冷却薄膜的制作材料包含权利要求1-7中任一项所述的辐射冷却材料。
10.一种车厢，其特征在于，在车厢的表面涂抹有如权利要求8所述的辐射冷却涂料，或在车厢的表面覆盖有如权利要求9所述的辐射冷却薄膜。
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- 2022-04-21 CN CN202210421880.4A patent/CN114736555A/zh active Pending
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