CN115573169B - 辐射降温水性喷剂、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辐射降温水性喷剂、其制备方法及应用。所述制备方法包括：使功能活性硅氧烷与端羟基聚乙二醇混合进行第一反应，制得两端硅氧烷改性的聚乙二醇；将所述两端硅氧烷改性的聚乙二醇分散在水中，并向分散体系中加入催化剂，在搅拌的同时进行第二反应，获得辐射降温水性喷剂。本发明的辐射降温水性喷剂以水为主要分散介质，聚乙二醇与硅氧烷反应得到的纳米颗粒为辐射降温功能组分，具有绿色、稳定、应用便捷、不影响改性物体的外观色泽等特征；可对各类既有物体实现辐射降温功能改性，在喷洒界面形成硅氧烷‑聚乙二醇纳米颗粒层，实现太阳光发射率和中远红外的发射率，从而实现辐射降温，降温范围达5～15℃。
Description
技术领域
本发明涉及一种辐射降温材料，特别涉及一种辐射降温水性喷剂及其制备方法与应用，属于纳米材料技术领域。
背景技术
辐射降温技术是通过材料自身辐射性能，通过将自身能够通过大气透明窗口辐射至外太空而实现的被动降温过程。其基本原理为任何温度大于0的物体都能通过辐射向外发射能量，大气在8-13微米波段吸收率低，因此地面物体在此波段辐射的能量能够直接透过大气到达温度为3K的太空，从而实现辐射降温效果。因此为了实现有效降温，需实现在8-13微米具有选择性的高发射率。
另一方面，物体与外界的热交换主要由四个途径，吸收太阳光、吸收环境的辐射，与环境的热传导和对流，向外辐射能量。虽然众多物质在8-13微米具有较高发射率，但在日间阳光照射下并无降温效果，原因在于吸收太阳光的热量远大于向外辐射的热量，因此起不到降温效果。为此，目前主要的途径有通过复合层状结构实现太阳光的高反射和中远红外的高发射率；通过超材料技术实现太阳光的高反射和中远红外的高发射率；或通过构筑多孔结构、填充纳米颗粒实现太阳光的高反射和中远红外的高发射率。这类方法都涉及到成本和应用场景问题，操作灵活性，普适性都收到显示，而且使用时会改变既有材料的外观形貌，如彩色服装、各种颜色的墙体、玻璃门窗等。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种辐射降温水性喷剂及其制备方法，以及实现辐射降温材料的新体系和新的应用方法，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明实施例提供了一种辐射降温水性喷剂的制备方法，其包括：
使功能活性硅氧烷与端羟基聚乙二醇混合进行第一反应，制得两端硅氧烷改性的聚乙二醇；
将所述两端硅氧烷改性的聚乙二醇分散在水中，并向分散体系中加入催化剂，在搅拌的同时进行第二反应，获得辐射降温水性喷剂。
在一些实施例中，所述功能活性硅氧烷包括3-羧基丙基三乙氧基硅烷、3-羧基丙基三甲氧基硅烷、3-异氰基丙基三乙氧基硅烷、3-异氰基丙基三甲氧基硅烷中的任意一种或两种以上的组合。
本发明实施例还提供了由前述制备方法制得的辐射降温水性喷剂，其包括水，以及作为辐射降温功能组分的硅氧烷-聚乙二醇纳米颗粒，固含量大于1％。
本发明实施例还提供了所述辐射降温水性喷剂在辐射降温领域中的应用。
相应的，本发明实施例还提供了一种辐射降温方法，其包括：
将所述辐射降温水性喷剂施加于目标物表面，干燥，从而在目标物界面形成硅氧烷-聚乙二醇纳米颗粒层，实现目标物的辐射降温。
与现有的技术相比，本发明的优点至少在于：
1)本发明提供的辐射降温水性喷剂或涂料，具有绿色环保，使用方便等功能，首次以喷剂形态出现；
2)本发明采用辐射降温水性喷剂可对各类既有物体实现辐射降温功能改性，在喷洒界面形成硅氧烷-聚乙二醇纳米颗粒层，在不影响表观形貌和彩色的同时，实现太阳光发射率和中远红外的发射率，从而实现辐射降温，降温范围达5～15℃。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例1-6中所获辐射降温水性喷剂的制备方法及应用示意图。
图2是本发明实施例1中所获辐射降温材料的核磁谱图。
图3是本发明实施例2中所获辐射降温材料喷涂后的扫描电子显微镜图。
图4是本发明实施例3中所获辐射降温材料喷涂后的扫描电子显微镜图。
图5是本发明实施例4中所获辐射降温材料喷涂后的扫描电子显微镜图。
图6是本发明实施例5中所获辐射降温材料喷涂后的扫描电子显微镜图。
图7是本发明实施例6中所获辐射降温材料喷涂后的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是提供一种辐射降温水性喷剂及其制备方法，实现辐射降温材料的新体系和新的应用方法，可以直接喷涂在普通材料表面，在不影响表观形貌和彩色的同时，实现太阳光发射率和中远红外的发射率，从而实现辐射降温。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供的一种辐射降温水性喷剂的制备方法包括：
使功能活性硅氧烷与端羟基聚乙二醇混合进行第一反应，制得两端硅氧烷改性的聚乙二醇；
将所述两端硅氧烷改性的聚乙二醇分散在水中，并向分散体系中加入催化剂，在搅拌的同时进行第二反应，获得辐射降温水性喷剂。
在一些优选实施例中，所述辐射降温水性喷剂的制备方法包括：
将功能活性硅氧烷与端羟基聚乙二醇按一定摩尔比混合，反应一定时间，获得两端硅氧烷改性的聚乙二醇；
再将所述两端硅氧烷改性的聚乙二醇分散在水中，再加入一定量的催化剂，搅拌反应，获得辐射降温水性喷剂。该步骤中的反应为缩合反应，具体为羟基与异氰酸酯、羧基等功能基团的反应。
在一些实施例中，所述功能活性硅氧烷包括3-羧基丙基三乙氧基硅烷、3-羧基丙基三甲氧基硅烷、3-异氰基丙基三乙氧基硅烷、3-异氰基丙基三甲氧基硅烷等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些实施例中，所述端羟基聚乙二醇的数均分子量为400～400000。
在一些实施例中，所述功能活性硅氧烷与端羟基聚乙二醇的摩尔比为2：1～4:1。
在一些实施例中，功能活性硅氧烷与端羟基聚乙二醇进行第一反应的温度为50～200℃，第一反应的时间大于5h。
进一步地，所述水包括去离子水、蒸馏水、自来水、洁净度大于3级的地表水等中的至少任意一种，但不限于此。
在一些实施例中，所述分散体系中两端硅氧烷改性的聚乙二醇的质量分数为1％～30％。
在一些实施例中，所述催化剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、氨气、碳酸氢钠、盐酸、硫酸、醋酸、草酸、柠檬酸、硝酸等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述催化剂的用量占水的质量分数的1％～5％。
在一些实施例中，催化剂加入后，所述搅拌的温度为室温～80℃，搅拌时间在10h以上。
本发明实施例的另一个方面还提供了由前述制备方法制得的辐射降温水性喷剂。
进一步地，所述辐射降温水性喷剂包括水，以及作为辐射降温功能组分的硅氧烷-聚乙二醇纳米颗粒，其固含量大于1％，为无色至半透明水溶液。
本发明的辐射降温水性喷剂以水为主要分散介质，聚乙二醇与硅氧烷反应得到的纳米颗粒为辐射降温功能组分，具有绿色、稳定、应用便捷、不影响改性物体的外观色泽等特征。并且，本发明提供的辐射降温水性喷剂或涂料，具有绿色环保，使用方便等功能，首次以喷剂形态出现。
本发明实施例的另一个方面还提供了所述辐射降温水性喷剂在辐射降温领域中的应用。
相应的，本发明实施例的另一个方面还提供了一种辐射降温方法，其包括：
将所述辐射降温水性喷剂施加于目标物表面，干燥，从而在目标物界面形成硅氧烷-聚乙二醇纳米颗粒层(亦可称为改性过程)，实现目标物的辐射降温。
进一步地，本发明将辐射降温水性喷剂喷洒在目标物表面，自然干燥或烘干，使目标物具有辐射降温功能，相较环境温度，降温幅度达5～15℃。
本发明的辐射降温机理在于：将该辐射降温水性喷剂喷洒在目标物表面，等干燥后主要成分为硅氧烷-聚乙二醇纳米颗粒，其在8-13μm波段具有非常高的发射率，可实现辐射降温。因此，对低发射率的目标物表面喷完该浆料后，发射率大幅度提高，可以实现被动降温。
本发明实施例采用辐射降温水性喷剂或涂料可对各类既有物体实现辐射降温功能改性。其中，所述目标物可以包括棉布、涤纶面料、尼龙面料、锦纶面料、氨纶面料等上述复合面料和彩色面料，还可以是玻璃窗、汽车漆面、建筑物墙体、瓦片、顶棚、路面、非机动车表面、船体表面、集装箱表面、木制板材表面等中的至少任意一种，但不限于此。并且，将所述辐射降温水性喷剂进行喷洒或涂覆后，不影响外观的同时显示辐射降温。
综上所述，本发明通过喷洒在服装面料、玻璃窗、汽车漆面、建筑物墙体等表面，使水自然蒸干，在喷洒界面形成硅氧烷-聚乙二醇纳米颗粒层，提高太阳光反射率及中远红外发射率，实现辐射降温应用，降温范围达5～15℃。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
(1)硅氧烷功能化的聚乙二醇的制备：将摩尔比为2:1的3-异氰基丙基三乙氧基硅烷与数均分子量为40000的聚乙二醇混合，50℃下反应6小时。
(2)辐射降温水性喷剂的制备：将上述合成的硅氧烷功能化的聚乙二醇溶解在去离子水中，配置得到质量分数为1％的水溶液，再加入质量分数1％的氢氧化钾，于80℃搅拌11小时，获得辐射降温水性喷剂或涂料(可简称为“辐射降温材料”)。图1为合成过程示意图，图2为硅氧烷功能化的聚乙二醇核磁氢谱图。
(3)改性应用：将白色棉布浸泡在喷剂中10分钟，取出后晾干，经太阳下暴晒，相比未改性棉布，其比未改性棉布低5℃，具体参数参见表1。
实施例2
(1)硅氧烷功能化的聚乙二醇的制备：将摩尔比为2:1的3-羧基丙基三乙氧基硅烷与数均分子量为400000的聚乙二醇混合，200℃下反应6小时。
(2)辐射降温水性喷剂的制备：将上述合成的硅氧烷功能化的聚乙二醇溶解在蒸馏水中，配置得到质量分数为30％的水溶液，再加入质量分数5％的草酸，于25℃搅拌12小时，获得辐射降温水性喷剂或涂料。图1为合成过程示意图，图3为所获辐射降温材料喷涂后的扫描电子显微镜图。
(3)改性应用：将50毫升的喷剂均匀喷洒于20×20cm2的黑色尼龙面料上，干燥后晾干，经太阳下暴晒，相比未改性的原始尼龙面料，其比未改性的面料低15℃，具体参数参见表1。
实施例3
(1)硅氧烷功能化的聚乙二醇的制备：将摩尔比为2:1的3-羧基丙基三甲氧基硅烷与数均分子量为40000的聚乙二醇混合，110℃下反应8小时。
(2)辐射降温水性喷剂的制备：将上述合成的硅氧烷功能化的聚乙二醇溶解在蒸馏水中，配置得到质量分数为15％的水溶液，再加入质量分数2％的氨水，于35℃搅拌15小时，获得辐射降温水性喷剂或涂料。图1为合成过程示意图，图4为所获辐射降温材料喷涂后的扫描电子显微镜图。
(3)改性应用：将50毫升的喷剂均匀喷洒于20×20cm2的红色涤纶面料上，干燥后晾干，经太阳下暴晒，相比未改性的原始涤纶面料，其比未改性的面料低10℃，具体参数参见表1。
实施例4
(1)硅氧烷功能化的聚乙二醇的制备：将摩尔比为2:1的3-羧基丙基三甲氧基硅烷与数均分子量为20000的聚乙二醇混合，80℃下反应8小时。
(2)辐射降温水性喷剂的制备：将上述合成的硅氧烷功能化的聚乙二醇溶解在蒸馏水中，配置得到质量分数为10％的水溶液，再加入质量分数2％的盐酸，于45℃搅拌15小时，获得辐射降温水性喷剂或涂料。图1为合成过程示意图，图5为所获辐射降温材料喷涂后的扫描电子显微镜图。
(3)改性应用：将50毫升的喷剂均匀喷洒于20×20cm2的白色油漆木板上，干燥后晾干，经太阳下暴晒，相比未改性的原始木板，其比未改性的木板低10℃，具体参数参见表1。
实施例5
(1)硅氧烷功能化的聚乙二醇的制备：将摩尔比为2:1的3-异氰基丙基三甲氧基硅烷与数均分子量为20000的聚乙二醇混合，80℃下反应8小时。
(2)辐射降温水性喷剂的制备：将上述合成的硅氧烷功能化的聚乙二醇溶解在蒸馏水中，配置得到质量分数为10％的水溶液，再加入质量分数2％的盐酸，于45℃搅拌15小时，获得辐射降温水性喷剂或涂料。图1为合成过程示意图，图6为所获辐射降温材料喷涂后的扫描电子显微镜图。
(3)改性应用：将50毫升的喷剂均匀喷洒于20×20cm2的透明玻璃板上，干燥后晾干，经太阳下暴晒，相比未改性的原始玻璃板，其比未改性的玻璃低6℃，具体参数参见表1。
实施例6
(1)硅氧烷功能化的聚乙二醇的制备：将摩尔比为2:1的3-异氰基丙基三甲氧基硅烷与数均分子量为10000的聚乙二醇混合，60℃下反应10小时。
(2)辐射降温水性喷剂的制备：将上述合成的硅氧烷功能化的聚乙二醇溶解在蒸馏水中，配置得到质量分数为5％的水溶液，再加入质量分数4％的硫酸，于45℃搅拌16小时，获得辐射降温水性喷剂或涂料。图1为合成过程示意图，图7为所获辐射降温材料喷涂后的扫描电子显微镜图。
(3)改性应用：将50毫升的喷剂均匀喷洒于20×20cm2的水泥屋顶上，干燥后晾干，经太阳下暴晒，相比未改性的屋顶地面，其比未改性的低12℃，具体参数参见表1。
实施例7
(1)硅氧烷功能化的聚乙二醇的制备：将摩尔比为2:1的3-异氰基丙基三甲氧基硅烷与数均分子量为5000的聚乙二醇混合，90℃下反应10小时。
(2)辐射降温水性喷剂的制备：将上述合成的硅氧烷功能化的聚乙二醇溶解在蒸馏水中，配置得到质量分数为5％的水溶液，再加入质量分数4％的硫酸，于45℃搅拌16小时，获得辐射降温水性喷剂或涂料，图1为合成过程示意图。
(3)改性应用：将50毫升的喷剂均匀喷洒于20×20cm2的水泥屋顶上，干燥后晾干，经太阳下暴晒，相比未改性的屋顶地面，其比未改性的低10℃，具体参数参见表1。
实施例8
(1)硅氧烷功能化的聚乙二醇的制备：将摩尔比为2:1的3-异氰基丙基三甲氧基硅烷与数均分子量为5000的聚乙二醇混合，90℃下反应10小时。
(2)辐射降温水性喷剂的制备：将上述合成的硅氧烷功能化的聚乙二醇溶解在蒸馏水中，配置得到质量分数为5％的水溶液，再加入质量分数4％的硫酸，于45℃搅拌16小时，获得辐射降温水性喷剂或涂料，图1为合成过程示意图。
(3)改性应用：将100毫升的喷剂均匀喷洒于20×20cm2的水泥屋顶上，干燥后晾干，经太阳下暴晒，相比未改性的屋顶地面，其比未改性的低15℃，具体参数参见表1。
实施例9
(1)硅氧烷功能化的聚乙二醇的制备：将摩尔比为3:1的3-异氰基丙基三乙氧基硅烷与数均分子量为5000的聚乙二醇混合，100℃下反应10小时。
(2)辐射降温水性喷剂的制备：将上述合成的硅氧烷功能化的聚乙二醇溶解在蒸馏水中，配置得到质量分数为5％的水溶液，再加入质量分数4％的硝酸，于45℃搅拌16小时，获得辐射降温水性喷剂或涂料。图1为合成过程示意图。
(3)改性应用：将100毫升的喷剂均匀喷洒于20×20cm2的黑色小汽车顶棚上，干燥后晾干，经太阳下暴晒，相比未改性的顶棚，其比未改性的低12℃，具体参数参见表1。
实施例10
(1)硅氧烷功能化的聚乙二醇的制备：将摩尔比为4:1的3-异氰基丙基三乙氧基硅烷与数均分子量为400的聚乙二醇混合，100℃下反应10小时。
(2)辐射降温水性喷剂的制备：将上述合成的硅氧烷功能化的聚乙二醇溶解在蒸馏水中，配置得到质量分数为5％的水溶液，再加入质量分数3％的醋酸，于45℃搅拌16小时，获得辐射降温水性喷剂或涂料。图1为合成过程示意图。
(3)改性应用：将100毫升的喷剂均匀喷洒于20×20cm2的绿漆金属板上，干燥后晾干，经太阳下暴晒，相比未改性的绿漆金属板，其比未改性的低10℃，具体参数参见表1。
表1实施例1-10中所获辐射降温水性喷剂的应用效果
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，上述实例、特征只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种辐射降温水性喷剂的制备方法，其特征在于，包括：
使功能活性硅氧烷与端羟基聚乙二醇混合进行第一反应，制得两端硅氧烷改性的聚乙二醇，所述功能活性硅氧烷选自3-羧基丙基三乙氧基硅烷、3-羧基丙基三甲氧基硅烷、3-异氰基丙基三乙氧基硅烷、3-异氰基丙基三甲氧基硅烷中的任意一种或两种以上的组合；
将所述两端硅氧烷改性的聚乙二醇分散在水中，并向分散体系中加入催化剂，在搅拌的同时进行第二反应，获得辐射降温水性喷剂，所述催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、氨气、碳酸氢钠、盐酸、硫酸、醋酸、草酸、柠檬酸、硝酸中的任意一种或两种以上的组合。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述端羟基聚乙二醇的数均分子量为400~400000。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述功能活性硅氧烷与端羟基聚乙二醇的摩尔比为2：1~4:1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一反应的温度为50~200℃，第一反应的时间大于5h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述水包括去离子水、蒸馏水、自来水、洁净度大于3级的地表水中的至少任意一种；和/或，所述分散体系中两端硅氧烷改性的聚乙二醇的质量分数为1%~30%。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂的用量占水的质量分数的1%~5%。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述搅拌的温度为室温~80℃，时间在10h以上。
8.由权利要求1-7中任一项所述制备方法制得的辐射降温水性喷剂，其包括水，以及作为辐射降温功能组分的硅氧烷-聚乙二醇纳米颗粒，固含量大于1%。
9.一种辐射降温方法，其特征在于，包括：
将权利要求8所述的辐射降温水性喷剂施加于目标物表面，干燥，从而在目标物界面形成硅氧烷-聚乙二醇纳米颗粒层，实现目标物的辐射降温。
10.根据权利要求9所述的辐射降温方法，其特征在于：所述目标物的辐射降温幅度为5~15℃；和/或，所述目标物包括棉布、涤纶面料、尼龙面料、锦纶面料、氨纶面料、玻璃窗、汽车漆面、建筑物墙体、瓦片、顶棚、路面、非机动车表面、船体表面、集装箱表面、木制板材表面中的至少任意一种。
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