CN114953671B - 一种具有低热红外特性仿生叶片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有低热红外特性仿生叶片及其制备方法。该仿生叶片由三层结构组成，分别为近红外高反层、复合吸附层、纤毛对流层。近红外高反层由元素掺杂铬绿与亲水高分子聚乙烯醇(PVA)复合而成，模拟天然植物叶片光谱；复合吸附层选用活性炭纤维布为基体，并通过浸渍法吸附金属氯化盐；利用磁场诱导磁性粒子运动，促使表面纤毛定向生长，以此制备纤毛对流层。采用有机胶黏剂将近红外高反层、复合吸附层、纤毛对流层组装得到该仿生叶片，其具有优异的低热红外特性。
Description
技术领域
本发明属于仿生工程领域，具体涉及一种具有低热红外特性的仿生叶片及其制备方法。
背景技术
天然植物叶片在外界环境中拥有较低的表面温度和热红外特性。其原有在于以下三点：(1)叶绿素存在明显的“红边”与“近红外高原”现象，可以反射太阳光中的近红外波段部分；(2)叶片中含有大量的水，可以通过表面气孔的水蒸腾耗散累积的热量，且失去的水分还可以通过根部进行补充；(3)某些植物叶片通过特殊的表面结构降低太阳辐照面积，或通过绒毛强化表面热对流，以降低叶片表面温度。天然植物叶片独特的光谱特征与热管理能力使其成为仿生研究领域的重要模仿对象之一。
传统人造叶片随着具有多种颜色和形状，但在叶片特点上仅仅采用颜填料构筑了与天然叶片类似的颜色，在太阳光照射下生热效果明显，不能体现低的热红外特性。
人们首先使用与绿色叶片具有相似光谱特性的染料制备了染色织物[17]。虽然该类材料在300-1300nm波长范围内具有和植物叶片相似的特征，但在1300nm之后不能表现植物叶片的水吸收带特征。有研究者在绿色涂料中添加了叶绿素，使得300-1300nm波段范围内的反射谱与绿色植被更加接近。但由于叶绿素并不稳定，限制了其应用范围。
刘志明等人基于典型被子植物叶片的组配成分(色素和水)和疏松多孔结构设计了一种可模拟其反射光谱特征的仿生材料原理模型。该模型由透光膜、疏松多孔结构、仿叶绿体色素微胶囊和仿液泡吸水颗粒构成。为验证模型的可行性，作者以包裹叶绿素的聚氨酯发泡材料作为原理样品，测试了其吸水后的反射率，与梧桐叶片的光谱特征较为相似。Yang等人对上述原理模型进行了改进，并研制了一种四层结构的复合仿生材料。最上层为防水的透明聚氯乙烯膜；第二层为包裹叶绿素的PVA膜，可使仿生材料呈现与植物叶片相似的绿色；第三层为封装水的聚偏二氯乙烯塑料袋，可保证复合材料反射谱能够呈现植物叶片的水吸收带特征；最下层为纸张，用于模拟植叶片疏松多孔结构特征。由Qin等人研制的一种包覆叶绿素和水的尿素甲醛聚合物微胶囊也实现了对植物叶片光谱反射特征的模拟。郭利等人采用聚氨酯为涂料基体，叶绿素、氧化铬绿和水为填料研制了一种与植物叶片具有相似光谱特征的仿生涂层。作者分析了含水量对仿生涂层反射谱的影响，发现含水量为60wt％的涂层与植物叶片反射谱的相似度达0.99，其反射谱符合美国光谱通道要求。这些工作只关注仿生叶片的光谱是否与天然叶片光谱相似，并未对天然叶片的热管理行为进行仿生研究。
常规红外伪装技术未考虑植物叶片的生理活动对其热特征的影响，因此难以实现与植被背景全天时融合。蒸腾作用是植物叶片最基本的生理活动之一，即水分以水蒸气的形式从叶片表面散失的过程，其蒸发潜热给植物叶片带来了冷却效果，使其呈现与无生命物体差异显著的红外热特征。考虑植物叶片蒸腾作用对其红外热特征的重要影响，Yuan等人提出了一种可模拟植物叶片蒸腾生理活动的四层结构仿生叶片原理模型。该原理模型的最上层为与植物叶片具有相似光谱特性的绿色涂层，第二层为内部储存大量水的保水层，第三层为随环境温湿度变化而发生吸湿/脱水的吸脱附层，最下层为可模拟植物叶片气孔的吸脱附速率控制层。然而该仿生叶片在经历多个吸脱附周期后会出现分层甚至解体现象，机械性能有待改进。高颖等人研制了一种以PVA为主体，以氯化锂(LiCl)和氧化铬绿为添加剂的仿生材料。PVA和LiCl使仿生材料在夜间高湿度条件下吸附空气中的水蒸气，在日间低湿度条件下脱水，脱水过程可模拟植物叶片的蒸腾作用，进而模拟其热特征；吸湿材料具有保水性，其内部储存的水与绿色颜料有助于仿生材料模拟植物叶片太阳光谱反射特征。虽然这些工作试图将绿色涂层与含水层结合起来，但其单层复合方式不利于仿生叶片的表面稳定。
有些植物叶片还具有特殊的表面结构，如仙人掌具有针状结构，不仅能最大限度降低水分流失，而且降低太阳辐照面积使得叶片表面温度较低。通过对材料进行形貌调控达到的对流效应是一种能够使得气体中较热的部分和较冷的部分通过循环流动使温度趋于均匀的降温手段。如申请号CN201920203488.6的中国发明专利介绍了一种增加对流散热的LED灯，通过在产品上设置对流结构,利用在套筒上的导流槽进一步加强对流效果，以增加LED灯内部的对流散热功能，进而增加整体散热性能；申请号CN201310191518.3的中国发明专利介绍了LED灯泡的气体热对流散热结构，通过在产品散热装置中增加了内部风道结构，使得LED灯泡内部产生特定流向的气流，从而加速了热扩散的过程，有效地提高了产品整体散热效果；申请号CN201910718966.1的中国发明专利介绍了一种具有叠层结构的相变型自然对流散热装置，以实现无需外部动力就可以将热量从蒸发板传递至冷凝板，减小散热装置体积，该装置在自然对流条件下具有很好的传热及散热性能；陈柏仁等人利用蜂巢结构与自然对流散热的优点，结合烟囱效应,开发出了一种特殊的散热方式—蜂巢式散热鳍片，具有很好的散热效果。但是这些特殊结构的散热方式并没有运用在制备具有降温特性的仿生叶片上。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种模拟天然植物叶片近红外高反射光谱和水蒸腾、强化热对流等热管理行为的具有低热红外特性仿生叶片，本发明的另一目的是提供上述仿生叶片的制备方法。
本发明的技术方案为：一种具有低热红外特性仿生叶片，其特征在于，该仿生叶片由三层结构组成，分别是近红外高反层、复合吸附层以及纤毛对流层；分别起到反射太阳光谱中的近红外光、借助水蒸发潜热带走叶片热量、和加强热对流的作用，以模拟天然植物叶片反射光谱中的“近红外高原”、水蒸腾现象、和结构效应。其中，近红外高反层由元素掺杂铬绿的PVA膜构成，厚度为0.6-0.9mm；复合吸附层由吸附金属氯化盐的活性炭纤维布构成，厚度为1.5-2.2mm；纤毛对流层；由表面含有纤毛阵列的PVA膜构成，厚度为0.17-0.88mm。
优选上述的近红外高反层是以水作为溶剂，聚乙烯醇PVA作为高分子成膜材料，元素掺杂铬绿作为颜料，按一定配比制备成铸膜液，待溶剂挥发制得；其中铸膜液中元素掺杂铬绿的质量分数是0.6-1.0％，PVA的质量分数为8-15wt％。
优选所述的元素掺杂铬绿，由金属氧化物TiO2、Al2O3对铬绿进行掺杂，采用固相反应法制备得到，其中铬绿的质量分数为92％～96％，TiO2的质量分数为1％～2％，Al2O3的质量分数为3％～6％；烧结时间为2-6h，温度为1000-1200℃。
优选所述的复合吸附层是将活性炭纤维布在氯化盐水溶液中浸渍，待氯化盐通过物理作用进入活性炭孔洞内制得。优选所述的氯化盐为氯化钙、氯化钠或氯化锂中的一种；氯化盐水溶液中氯化盐质量浓度为30％～46％，浸渍的时间为18-48h。
优选所述的纤毛对流层：由磁场诱导生长法制得，将PVA、磁性粒子分别溶解和分散在溶剂中得到混合溶液，取不同体积量的混合溶液置于一定磁场强度和温度下，待溶剂完全挥发后得到。
优选所述的混合溶液中磁性粒子的质量浓度为1％～3％；PVA的质量浓度为4％～12％；所述的磁性粒子为Ni粉、Fe粉或Co粉中的一种；所述的溶剂为水、DMSO或DMF中的一种；所述的磁场强度为100～300mT；所述的温度为90-95℃；纤毛粗细一致且分布均匀，纤毛的高度控制在2.4-4.6mm。
本发明还提供了一种制备上述的具有低热红外特性仿生叶片的方法，其具体步骤为：使用胶粘剂将复合吸附层上下表面分别与近红外高反层与纤毛对流层进行粘接复合，其中纤毛阵列朝向空气一侧。
优选所述的胶黏剂为有机胶黏剂、环氧树脂胶黏剂或聚氨酯胶黏剂。
有益效果：
与现有传统人造叶片对比，本发明的优点为：该仿生叶片不仅与真实叶片有相似的光学特性，而且从光谱上进一步优化并提高了近红外反射从而给仿生叶片带来温降的效果。同时还模拟了植物叶片的生理过程—蒸腾作用，依靠蒸发潜热带走叶片表面的大量热量从而使得叶片表面温度降低。此外，该仿生叶片首次使用了仿生纤毛阵列，通过强化热对流，达到进一步降低表面温度的效果。
附图说明
图1为优选的复合吸附层在不同温、湿度下的吸水比率示意图；
图2为仿生叶片的结构示意图；
图3为以绿植为背景的仿生叶片户外实景图以及户外热成像；
图4为仿生叶片户外一周之内的表面温度变化示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，特例举以下实施例对本发明进行详细阐述，但本发明内容不仅仅限于以下实施案例。
实施例1
一种制备具有低热红外特性的仿生叶片，其具体步骤如下:
a、铬绿掺杂改性：将铬绿与TiO2、Al2O3以96:1:3的质量配比进行掺杂。接着将混合粉体放入烧结炉内，在1150℃保温3h后冷却至室温，出料得到实验样品。
b、近红外高反层的制备：将改性铬绿和PVA分别以0.8wt％和10wt％的质量分数分散和溶解在水中，制得混合溶液。将溶液倒入模具中，自然干燥后获得近红外高反层S1。
c、复合吸附层的制备：配置45wt％的氯化钙溶液，将活性炭纤维布置于氯化钙溶液中24h制得。将浸渍过后的活性碳纤维布从氯化盐溶液中取出，并悬挂于空气中，直至表面不再有盐溶液滴落为止，得到活性炭纤维布复合吸附层F1。
d、纤毛对流层的制备：将浓度为2wt％的CO粉和5wt％的PVA分散和溶解在DMSO中。将混合溶液取7ml倒入模具中，置于200mT的磁场强度中，在90℃自然干燥得到纤毛对流层D1。
e、仿生叶片的组装：选用聚氨酯作为胶黏剂将复合吸附层与近红外高反层和纤毛对流层进行组装，结构如图1所示。其中近红外高反层厚度为0.7mm。复合吸附层厚度2.2mm。纤毛对流层厚度为0.40mm，纤毛的高度为4.0mm。
实施例2
与实施例1的步骤相同，仅将烧结温度改为1000℃，保温时间改为2h，出料得到改性铬绿，制备的近红外高反层为S2，其余步骤完全相同。各层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例3
与实施例1的步骤相同，仅将烧结温度改为1200℃，保温时间改为6h，出料得到改性铬绿，制备的近红外高反层为S3，其余步骤完全相同。各层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例4
与实施例1的步骤相同，仅将铬绿与TiO2、Al2O3的质量配比改为95:2:3进行掺杂，出料得到改性铬绿，制备的近红外高反层为S4，其余步骤完全相同。各层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例5
与实施例1的步骤相同，仅将铬绿与TiO2、Al2O3的质量配比改为93:1:6进行掺杂得到实验样品S5，其余步骤完全相同。各层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例6
与实施例1的步骤相同，仅将铬绿与TiO2、Al2O3的质量配比改为92:2:6进行掺杂，出料得到改性铬绿，制备的近红外高反层为S6，其余步骤完全相同。各层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例7
与实施例1的步骤相同，仅将改性铬绿和PVA的浓度改为0.6wt％和8wt％分散和溶解在水中，制备的近红外高反层为S7，其余步骤完全相同。其中，近红外高反层的厚度为0.6mm，其它两层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例8
与实施例1的步骤相同，仅将改性铬绿和PVA的浓度改为1wt％和15wt％分散和溶解在水中，制备的近红外高反层为S8，其余步骤完全相同。其中，近红外高反层的厚度为0.9mm，其它两层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例9
将金属氧化物掺杂后制得的样品作为颜料制备近红外高反层，并进行800-2500nm波段的反射率以及平衡温度的测量。表1为不同原料配比制得的近红外高反层在800-2500nm的平均反射率和平衡温度。当Cr2O3、TiO2、Al2O3的配比为93:1:6时，不考虑可见光波段反射率的影响下，近红外波段反射率较高达到了76％，且平衡温度相对于其他掺杂的样品达到了最低，因此S5可以作为最理想的颜填料来制备近红外高反层。
表1
实施例10
与实施例1的步骤相同，仅将浸渍时间改为18h，制备得到的复合吸附剂记为F2，其余步骤完全相同。其中，复合吸附层的厚度2.1mm，为其它两层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例11
与实施例1的步骤相同，仅将浸渍时间改为48h，制备得到的复合吸附剂记为F3，其余步骤完全相同。其中，复合吸附层的厚度为2.0mm，其它两层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例12
与实施例1的步骤相同，仅将氯化钙改为氯化钠，制备得到的复合吸附剂记为F4，其余步骤完全相同。其中，复合吸附层的厚度1.9mm，为其它两层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例13
与实施例1的步骤相同，仅将氯化钙改为氯化锂，制备得到的复合吸附剂记为F5，其余步骤完全相同。其中，复合吸附层的厚度1.7mm，为其它两层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例14
与实施例1的步骤相同，仅将45wt％氯化钙改为30wt％氯化钠，制备得到的复合吸附剂记为F6，其余步骤完全相同。其中，复合吸附层的厚度1.5mm，为其它两层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例15
与实施例1的步骤相同，仅将45wt％氯化钙改为46wt％氯化钙，制备得到的复合吸附剂记为F7，其余步骤完全相同。其中，复合吸附层的厚度2.1mm，其它两层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例16
将不同条件下的复合吸附剂进行复合氯化盐含量的测试，测试结果如表2所示。从表中可以看出，当浸渍时间为24h，氯化盐的种类为氯化钙，浓度为45wt％，F1复合吸附剂复合氯化盐的含量达到最大值。
表2
实施例17
将复合氯化盐含量最高的F1复合吸附剂干燥后，放在不同温度、湿度下进行吸水研究，其吸水效果如图2所示。从图中可知，当温度越低，湿度越大，复合吸附剂的吸水性能越好，并且能在8h内吸饱水供白天失水降温，能够很好地模拟了植物的蒸腾作用。
实施例18
与实施例1的步骤相同，仅将纤毛的制备温度改为80℃，得到纤毛对流层D2，其余步骤完全相同。三层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例19
与实施例1的步骤相同，仅将纤毛的制备温度改为95℃，得到纤毛对流层D3，其余步骤完全相同。三层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例20
与实施例1的步骤相同，仅将钴粉改为铁粉制备得到纤毛对流层D4，其余步骤完全相同。三层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例21
与实施例1的步骤相同，仅将钴粉改为镍粉制备得到纤毛对流层D5，其余步骤完全相同。三层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例22
与实施例1的步骤相同，仅将溶剂DMSO改为H2O制备得到纤毛对流层D6，其余步骤完全相同。三层的厚度保持不变，纤毛高度为3.1mm。
实施例23
与实施例1的步骤相同，仅将溶剂DMSO改为DMF制备得到纤毛对流层D7，其余步骤完全相同。三层的厚度保持不变，纤毛高度为2.7mm。
实施例24
与实施例1的步骤相同，仅将磁场强度改为250mT制备得到纤毛对流层D8，其余步骤完全相同。三层的厚度保持不变，纤毛的高度为2.4mm。
实施例25
与实施例1的步骤相同，仅将磁场强度改为150mT制备得到纤毛对流层D9，其余步骤完全相同。三层的厚度保持不变，纤毛的高度为4.6mm。
实施例26
与实施例1的步骤相同，仅将Co粉的浓度改为1wt％制备得到纤毛对流层D10，其余步骤完全相同。三层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例27
与实施例26的步骤相同，仅将PVA浓度改为7wt％制备得到纤毛对流层D11，其余步骤完全相同。纤毛对流层厚度为0.56mm，纤毛的高度为4.5mm，其它两层厚度保持不变。
实施例28
与实施例26的步骤相同，仅将PVA浓度改为10wt％制备得到纤毛对流层D12，其余步骤完全相同。纤毛对流层厚度为0.8mm，纤毛的高度为4.5mm，其它两层厚度保持不变。
实施例29
与实施例26的步骤相同，仅将PVA浓度改为12wt％制备得到纤毛对流层D13，其余步骤完全相同。纤毛对流层厚度为0.88mm，纤毛的高度为4.5mm，其它两层厚度保持不变。
实施例30
与实施例1的步骤相同，仅将Co粉浓度浓度改为3wt％制备得到纤毛对流层D17，其余步骤完全相同。三层的厚度以及纤毛的高度保持不变。
实施例31
将不同制备工艺下的仿生纤毛进行结构参数的表征以及comsol对流温降模拟，结果如表2所示。当磁场强度为200mT，PVA浓度为10wt％，混合溶液用量为7ml以及钴粉浓度为2wt％，纤毛的对流降温效果最显著。
表2
实施例32
将制得的仿生叶片与市售仿生叶片和绿色植物表面温度进行对比，户外的实景图以及户外热成像如图3所示。
实施例33
为了证明制备的仿生叶片与真植物叶片具有相似的热红外特性以及表面温度低的特点，将优选的仿生叶片放在户外进行表面温度的测试，其在不同温度、湿度环境下的表面温度如图4所示。本发明制备的仿生叶片与真植物叶片具有相近的表面温度，且日平均温差小于2℃，因此说明具有较好的温降性能。
Claims (6)
1.一种具有低热红外特性仿生叶片，其特征在于，该仿生叶片由三层结构组成，分别是近红外高反层、复合吸附层以及纤毛对流层；其中，近红外高反层由元素掺杂铬绿的PVA膜构成，厚度为0.6-0.9 mm；复合吸附层由吸附金属氯化盐的活性炭纤维布构成，厚度为1.5-2.2 mm；纤毛对流层由表面含有纤毛阵列的PVA膜构成，厚度为0.17-0.88 mm；其中近红外高反层以水作为溶剂，聚乙烯醇PVA作为高分子成膜材料，元素掺杂铬绿作为颜料，按一定配比制备成铸膜液，待溶剂挥发制得，其中铸膜液中元素掺杂铬绿的质量分数是0.6-1.0%，PVA的质量分数为8-15 wt%；其中所述的元素掺杂铬绿，由金属氧化物TiO2、Al2O3对铬绿进行掺杂，采用固相反应法制备得到，其中铬绿的质量分数为92 %~96 %，TiO2的质量分数为1 %~2 %，Al2O3的质量分数为3 %~6 %；烧结时间为2-6 h，温度为1000-1200℃；纤毛对流层由磁场诱导生长法制得，将PVA、磁性粒子分别溶解和分散在溶剂中得到混合溶液，取不同体积量的混合溶液置于一定磁场强度和温度下，待溶剂完全挥发后得到；其中所述的磁场强度为100~300 mT；所述的温度为90-95℃。
2.根据权利要求1所述的具有低热红外特性仿生叶片，其特征在于：所述的复合吸附层是将活性炭纤维布在氯化盐水溶液中浸渍，待氯化盐通过物理作用进入活性炭孔洞内制得。
3.根据权利要求2所述的具有低热红外特性仿生叶片，其特征在于：所述的氯化盐为氯化钙、氯化钠或氯化锂中的一种；氯化盐水溶液中氯化盐质量浓度为30 %~46 %，浸渍的时间为18-48 h。
4.根据权利要求1所述的具有低热红外特性仿生叶片，其特征在于所述的混合溶液中磁性粒子的质量浓度为1 %~3 %；PVA的质量浓度为4 %~12 %；所述的磁性粒子为Ni粉、Fe粉或Co粉中的一种；所述的溶剂为水、DMSO或DMF中的一种；纤毛的高度控制在2.4-4.6 mm。
5.一种制备如权利要求1所述的具有低热红外特性仿生叶片的方法，其具体步骤为：使用胶黏剂将复合吸附层上下表面分别与近红外高反层与纤毛对流层进行粘接复合，其中纤毛阵列朝向空气一侧。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的胶黏剂为环氧树脂胶黏剂或聚氨酯胶黏剂。
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