CN114801378B - 一种低于室温的柔性彩色辐射制冷器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种低于室温的柔性彩色辐射制冷器件及其制备方法。通过构筑基于干涉逆反射原理的结构色层并辅以PDMS/Al制冷层，该辐射制冷器件解决了色彩和低于室温的制冷效果无法兼得的矛盾，实现了与普通商用染料相比拟的明亮色彩的同时兼具低于室温的辐射冷却能力。通过调节结构色层中聚苯乙烯微球的尺寸，该辐射制冷器件实现了全彩范围内的精细调节(15μm：红色；8μm：绿色；3μm：蓝色)。户外实验显示，当阳光辐射功率超过1000W/m2，该彩色辐射冷却器可以实现低于室温4K的冷却效果，这种零能耗的彩色辐射制冷器件具备巨大的节能潜力，为替代普通的商用染料提供了可行的方法。
Description
技术领域
一种低于室温的柔性彩色辐射制冷器件及其制备方法，涉及基于干涉逆反射原理的结构色薄膜的制备，在可见-近红外波段具备高反射率和在中红外波段具备高发射率的薄膜的制备，以及该器件辐射冷却性能的研究，属于光学材料与应用领域。
背景介绍
从21世纪开始，世界范围内由于制冷需求所消耗的能源逐年增加。根据数据统计，全世界20％的电力消耗被用于各种建筑物中的空调制冷，而这些制冷手段是依靠消耗大量的石油资源为代价的，这不仅加剧了能源的消耗，而且排放出包括温室气体在内的大量有害气体。因此，对于节能的制冷技术的探索迫在眉睫。
辐射制冷，作为一种新颖的制冷技术，在完全不消耗外部能源的情况下，可以自发地耗散物体本身的热量，从而起到冷却的效果。利用冷源(外层空间，～3K)，大气透明窗口(8-13μm)和材料独特的电磁频谱，辐射冷却材料可以直接与冷源进行热交换来降低自身温度。对于理想的辐射冷却，特别是白天的低于室温的辐射冷却，该材料有望高效反射太阳辐射(200-2500nm)，并在大气透明窗口特定波长范围内具有很强的中红外辐射。然而，对于可见光的高反射会使得材料本身呈现白色或银白色，这大大阻碍了辐射冷却材料的大范围应用。而颜色的引入则会不可避免地降低材料的制冷效果。因此，如何在色彩和制冷效果之间取得平衡是一个重要的研究方向。
在现有研究中，通过在辐射冷却材料体系中引入少量的颜料(化学色)或者采用多层薄膜干涉(结构色)等方法产生颜色。前者无法实现低于室温的制冷性能，后者无法实现大面积制备。因此，解决这两个问题的解决有助于推动辐射制冷材料的大规模应用。
发明内容
本发明公布了一种低于室温的柔性彩色辐射制冷器件及其制备方法。通过构筑基于干涉逆反射原理的结构色层并辅以PDMS/Al制冷层，该辐射制冷器件解决了色彩和低于室温的制冷效果无法兼得的矛盾，实现了与普通商用染料相比拟的明亮色彩的同时兼具低于室温的辐射冷却能力。通过调节结构色层中聚苯乙烯微球的尺寸，该辐射制冷器件实现了全彩范围内的精细调节(15μm：红色；8μm：绿色；3μm：蓝色)。户外实验显示，当阳光辐射功率超过1000W/m2，该彩色辐射冷却器可以实现低于室温4K的冷却效果，而与之俱有相同颜色的商用染料却远高于环境温度(蓝色：27K；绿色：16K；红色：9K)。这种零能耗的彩色辐射制冷器件具备巨大的节能潜力，为替代普通的商用染料提供了可行的方法。
本发明的一种低于室温的柔性彩色辐射制冷器件的制备方法，包括：
步骤1)首先将PDMS的预聚体和交联剂以20：1和5：1的质量比混合均匀并浇筑在模具内，并在70℃条件下加热固化4h；将尺寸均一的聚苯乙烯微球粉末洒在20：1的PDMS表面，并利用5：1的PDMS块体在20：1的PDMS表面单向摩擦微球，直至形成均匀的单层密排聚苯乙烯微球阵列；将普通透明胶带黏附在微球表面并均匀按压后揭下，得到微球/胶带结构色薄膜。通过调节结构色层中聚苯乙烯微球的尺寸，该辐射制冷器件实现了全彩范围内的精细调节，尺寸为15μm：红色；8μm：绿色；3μm：蓝色。
步骤2)首先将PDMS的预聚体和交联剂以10：1的质量比混合均匀；然后利用氧等离子体处理铝箔的光滑面；最后通过3000r/min的转速将PDMS均匀地旋涂在铝箔表面并在70℃条件下加热2h，得到PDMS/Al制冷薄膜层。其中PDMS厚度为70μm，铝箔厚度为20μm。
步骤3)将结构色层与制冷层粘贴在一起，制成柔性彩色辐射制冷器件，实现了与普通商用染料相比拟的明亮色彩的同时兼具低于室温的辐射冷却能力。
有益效果是：
(1)本发明提出的器件制备方法简单，易于大面积制备；
(2)本发明提供了一种低于室温的柔性彩色辐射制冷器件，实现了与普通商用染料相比拟的明亮色彩的同时兼具低于室温的辐射冷却能力。；
(3)本发明制备得到的彩色制冷材料，在可见-近红外波段的吸收率大约为10％，在中红外波段尤其是大气透明窗口具有100％的发射率；
(4)本发明制备得到的热管理器件，在整个工作过程，包括热管理以及频谱调控中，均没有任何外部能量消耗；当户外的阳光辐射功率超过1000W/m2，该辐射冷却器可以实现低于室温4K的冷却效果，而与之俱有相同颜色的商用染料却远高于环境温度(蓝色：27K；绿色：16K；蓝色：9K)
附图说明
图1辐射制冷器件的制备示意图和光学照片；
图2蓝色/绿色/红色的辐射制冷器件的光学和扫描电镜图片，光学图片中的比例尺为2cm；
图3辐射制冷器件和商用染料的吸收率/发射率；
图4辐射制冷器件在户外测试中的制冷性能表征和气象数据；
具体实施方式
为了让器件的制作过程及其特性更加清晰易懂，下面将结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步的详细说明。
根据上述目的，一种低于室温的柔性彩色辐射制冷器件的制备方法如图1所示：
(1)首先将PDMS的预聚体和交联剂以20：1和5：1的质量比混合均匀并浇筑在模具内，并在70℃条件下加热固化4h；将尺寸均一的聚苯乙烯微球粉末洒在20：1的PDMS表面，并利用5：1的PDMS块体在20：1的PDMS表面单向摩擦微球，直至形成均匀的单层密排聚苯乙烯微球阵列；将普通透明胶带黏附在微球表面并均匀按压后揭下，得到微球/胶带结构色薄膜。通过调节结构色层中聚苯乙烯微球的尺寸，该辐射制冷器件实现了全彩范围内的精细调节(15μm：红色；8μm：绿色；3μm：蓝色)。
(2)首先将PDMS的预聚体和交联剂以10：1的质量比混合均匀；然后利用氧等离子体处理铝箔的光滑面；最后通过3000r/min的转速将PDMS均匀地旋涂在铝箔表面并在70℃条件下加热2h，得到PDMS/Al制冷薄膜层。其中PDMS厚度为70μm，铝箔厚度为20μm。(3)将结构色层与制冷层粘贴在一起，制成柔性彩色辐射制冷器件，实现了与普通商用染料相比拟的明亮色彩的同时兼具低于室温的辐射冷却能力。
图2展示了所得红色/绿色/蓝色的辐射制冷器件的光学和扫描电镜图片。通过调节聚苯乙烯微球的尺寸，该柔性彩色辐射制冷器件可以在全色彩范围内实现精细调节(15μm：红色；8μm：绿色；3μm：蓝色)。
图3展示了彩色辐射制冷器件与普通商用染料吸收率/发射率谱图。如图所示，彩色辐射制冷材料和商用染料在相同颜色的条件下，彩色辐射制冷材料在0.4-2μm的波长范围内的平均吸收率仅有10％，而相同颜色的商用染料吸收率明显高于彩色辐射制冷材料(蓝色染料：70％；绿色染料：50％；红色染料：30％)。
图4展示了辐射制冷器件和商用染料在实地测试中的温度曲线和气象数据，当户外的阳光辐射功率超过1000W/m2，该辐射冷却器可以实现低于室温4K的冷却效果，而与之具有相同颜色的商用染料却远高于环境温度(蓝色：27K；绿色：16K；红色：9K)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，正是用来解释说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围。另外在本发明的精神和权利要求保护的范围之内，对本发明作用的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种低于室温的柔性彩色辐射制冷器件的制备方法，其特征在于：通过构筑基于干涉逆反射原理的结构色层并辅以PDMS/Al制冷层，该辐射制冷器件解决了色彩和低于室温的制冷效果无法兼得的矛盾，实现了与普通商用染料相比拟的明亮色彩的同时兼具低于室温的辐射冷却能力；
该辐射制冷器件的色彩来源于结构色层中微球与胶带形成的气垫结构，基于气垫结构的干涉逆反射行为赋予了器件明亮的色彩，具体包括：通过单向摩擦法将尺寸均一的聚苯乙烯微球颗粒制备成单层密排的聚苯乙烯微球阵列，然后将透明胶带按压在微球表面并揭下，得到微球/胶带薄膜层，通过调节聚苯乙烯微球的尺寸，该辐射制冷器件实现了全彩范围内的精细调节；
制冷层由PDMS与Al组成，通过旋涂法将PDMS预聚体旋涂到铝箔上，并加热固化得到制冷层。
2.权利要求1所述低于室温的柔性彩色辐射制冷器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1)首先将PDMS的预聚体和交联剂以20：1和5：1的质量比混合均匀并浇筑在模具内，并在70℃条件下加热固化4h；将尺寸均一的聚苯乙烯微球粉末洒在20：1的PDMS表面，并利用5：1的PDMS块体在20：1的PDMS表面单向摩擦微球，直至形成均匀的单层密排聚苯乙烯微球阵列；将普通透明胶带黏附在微球表面并均匀按压后揭下，得到微球/胶带结构色薄膜；通过调节结构色层中聚苯乙烯微球的尺寸，该辐射制冷器件实现了全彩范围内的精细调节，相对应尺寸为15μm：红色、8μm：绿色、3μm：蓝色；
步骤2)首先将PDMS的预聚体和交联剂以10：1的质量比混合均匀；然后利用氧等离子体处理铝箔的光滑面；最后通过3000r/min的转速将PDMS均匀地旋涂在铝箔表面并在70℃条件下加热2h，得到PDMS/Al制冷薄膜层，其中PDMS厚度为70μm，铝箔厚度为20μm；
步骤3)将结构色层与制冷层粘贴在一起，制成柔性彩色辐射制冷器件，实现了与普通商用染料相比拟的明亮色彩的同时兼具低于室温的辐射冷却能力。
3.一种低于室温的柔性彩色辐射制冷器件，其特征在于：由权利要求1或2所述的方法制备得到。
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2022
- 2022-05-21 CN CN202210558925.2A patent/CN114801378B/zh active Active
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