CN116218364A - 一种近红外高反射型辐射制冷涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外高反射型辐射制冷涂层及其制备方法。本发明的涂层以正己烷作为溶剂，PDMS作为成膜物质负责获得高发射率，并添加了TiO2和Y2O3作为填料负责反射太阳辐射。通过加入Y2O3弥补了TiO2作为填料时在太阳辐射波段反射率不足的问题，提高辐射制冷涂层在太阳辐射波段的反射率。
Description
技术领域
本发明涉及辐射制冷技术领域，具体是一种在近红外光谱范围内具有高反射率的辐射制冷涂层及其制备方法。
背景技术
在全球变暖的背景下，全球地表气温将比21世纪初升高0.3～4.8℃。随着气温的不断上升，极端高温出现的频率增大。研究证实，人类排放温室气体是导致全球变暖的主要原因。人们不得不采用空调等主动制冷方式使温度下降来满足人体舒适感。这些主动制冷电气设备消耗全球15％的电力，并排放了约10％的温室气体，加剧了全球变暖。为切断这一恶性循环，人们迫切地期望开发出节能高效的冷却模式和冷却材料。
辐射制冷，是一种新型的被动制冷方式，通过尽可能多地反射太阳辐射，同时以温度为3K的外太空作为冷源，将材料本身的热量以电磁波的形式通过大气窗口辐射到外太空，不需要消耗任何的能量就能达到制冷的目的，近年来引起了研究者的广泛关注。
良好的辐射制冷材料在太阳辐射波段(0.3～2.5μm)有较高的反射率，同时在大气窗口波段(2.5～25μm)有非常高的发射率。然而，辐射制冷技术却因以下问题受到限制：(1)早期的一些研究为了获得高太阳反射率，采用了银、铝等金属反射层，再涂覆一层透明度相对高的聚合物作为发射层。但是，金属反射层长期暴露在户外不仅容易被氧化，而且会造成人眼眩晕和不适，其应用场景也极大地受到了限制。(2)各种金属氧化物材料由于具有高折射率和对紫外光的屏蔽作用，如二氧化钛，氧化锌等，用来代替金属反射层以反射太阳光。然而由于这些金属氧化物温和的电子带隙，对紫外光波段的太阳光有强烈的吸收，使辐射制冷的性能受到限制。(3)一些研究者为了获得高性能的辐射制冷材料，采用沉积多层薄膜的方法，但其制备工艺却相对复杂，难以实现大规模制备。因此，除了常见的刮涂法制备的薄膜形式之外，还可以探索涂料或油漆等喷涂应用模式，将辐射制冷适用于多种场景。因此，现有技术存在缺陷，需要改善。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种近红外高反射型辐射制冷涂层及其制备方法。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)PDMS溶液的制备：将正己烷和PDMS混合至均一，得到澄清的均相的PDMS溶液；
(2)混合液的制备：将TiO2颗粒和Y2O3颗粒作为反射颗粒加入到PDMS溶液中，混合至均匀；再加入PDMS的固化剂，混合至均匀，获得均匀稳定的悬浮液；
(3)成膜：采用喷枪将悬浮液沉积在基体上，喷涂时控制喷枪与基体的距离，通过控制喷涂时间和涂料用量来获得相应厚度的沉积层；然后将沉积层固化，正己烷在喷涂和固化过程中挥发，得到近红外高反射型辐射制冷涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的涂层以正己烷作为溶剂，PDMS(聚二甲基硅氧烷)作为成膜物质负责获得高发射率，并添加了TiO2(二氧化钛)和Y2O3(氧化钇)作为填料负责反射太阳辐射。通过加入Y2O3弥补了TiO2作为填料时在太阳辐射波段反射率不足的问题，提高辐射制冷涂层在太阳辐射波段的反射率。
(2)本发明制备的辐射制冷涂层在太阳辐射波段(0.3～2.5μm)的平均反射率为92.2％，在近红外光谱范围内(0.8～2.5μm)的反射率为89.4％，Y2O3颗粒的加入使辐射制冷涂层在太阳辐射波段的反射率提升。在大气窗口波段(8～13μm)的平均发射率为94.9％。
(3)本发明的辐射制冷涂料为单层涂层，仅需一层就可以同时获得高反射率以及高发射率，并且制备工艺简单，成本低，制冷效果明显，在太阳辐射波段具有高的反射性能，在中红外波段具有高的发射性能，应用场景多元化。
附图说明
图1为本发明实施例1中制得的辐射制冷涂层的截面的低倍SEM图；
图2为本发明实施例1中制得的辐射制冷涂层的截面的低倍SEM图；
图3为本发明实施例2中不同含量的填料在太阳辐射波段的反射光谱图；
图4为本发明实施例2中不同含量的填料在中红外波段的发射光谱图；
图5为本发明实施例3中不同厚度的样品在太阳辐射波段的反射光谱图；
图6为本发明实施例3中不同厚度的样品在中红外波段的发射光谱图；
图7为本发明实施例4中实测日间不同涂层温度图；
图8为本发明实施例4中实测日间辐射制冷涂层-外界温度图；
图9为本发明实施例4中实测日间功率图。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本发明权利要求的保护范围。
本发明提供了一种近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)PDMS溶液的制备：将正己烷和PDMS混合至均一，得到澄清的均相的PDMS溶液；
(2)混合液的制备：将TiO2颗粒和Y2O3颗粒作为反射颗粒加入到PDMS溶液中，混合至均匀；再加入PDMS的固化剂，混合至均匀，获得均匀稳定的悬浮液；
(3)成膜：采用喷枪将悬浮液沉积在基体上，喷涂时控制喷枪与基体的距离，通过控制喷涂时间和涂料用量来获得相应厚度的沉积层；然后将沉积层固化，正己烷在喷涂和固化过程中挥发，得到近红外高反射型辐射制冷涂层。
优选地，步骤(1)中，正己烷与PDMS的质量比为10:1。
优选地，步骤(1)中，混合采用磁力搅拌器搅拌1.5～3h。
优选地，步骤(2)中，TiO2颗粒与Y2O3颗粒的质量比为0～1:0～1(优选1:1)；TiO2颗粒与Y2O3颗粒的总质量与PDMS的质量比为1～2:1。TiO2颗粒的粒径为0.2～0.4μm；Y2O3颗粒的粒径为0.5～1μm。TiO2在获得高反射率的同时或造成部分紫外吸收，加入Y2O3的目的是为了提高涂层在近红外光谱范围内的反射率。TiO2颗粒优选金红石型二氧化钛。
优选地，步骤(2)中，反射颗粒的混合采用磁力搅拌3～5h；PDMS的固化剂的混合采用磁力搅拌30min。
优选地，步骤(2)中，PDMS与PDMS的固化剂的质量比为10:1。
优选地，步骤(3)中，基体的材质为玻璃、木板、塑料或金属。
优选地，步骤(3)中，喷枪与空气压缩机相连，喷枪的喷涂压力为0.8Mpa，喷枪的喷嘴的直径为1mm，喷涂时控制喷枪与基体的距离为10～15cm(优选10cm)。
优选地，步骤(3)中，固化温度为80～120℃，时间为3～5h。
本发明同时提供了一种所述制备方法制备得到的近红外高反射型辐射制冷涂层(简称辐射制冷涂层)，辐射制冷涂层的厚度为50～250μm。
实施例1
采用场发射扫描电子显微镜(日立S-4800)对微观形貌进行表征，在测试前喷金60s。由图1和图2可以看出TiO2和Y2O3的微观形貌。
实施例2
本实施例中，针对不同TiO2和Y2O3的质量比对辐射制冷性能的影响。
制备单层辐射制冷涂层，控制涂层的厚度为150μm，改变TiO2和Y2O3的质量比为1:0、0.5:0.5、0:1。
通过配备BaSO4积分球的紫外可见近红外分光光度计对样品在0.3～2.5μm波段的反射光谱进行测量，如图3所示。由图3可以看出，当TiO2和Y2O3的质量比为1:0时，涂层的反射率为88.5％；当TiO2和Y2O3的质量比为0:1时，涂层的反射率为78％；当TiO2和Y2O3的质量比为0.5:0.5时，涂层反射率达到最高，为92.2％。
通过反射法用配备镀金积分球的傅里叶红外光谱仪对样品在2.5～25μm波段的发射率进行测量，如图4所示。由图4可以看出，涂层无论在8～13μm，还是在2.5～25μm，都具有较高的红外发射率。当TiO2和Y2O3的质量比为0.5:0.5时，涂层在8～13μm以及2.5～25μm波段的发射率分别为94.9％和91.1％；当TiO2和Y2O3的质量比为1:0时，涂层在8～13μm以及2.5～25μm波段的发射率分别为94.4％和92.4％。
实施例3
本实施例中，针对不同厚度的样品对辐射制冷性能的影响。
控制该单层辐射制冷涂层中TiO2和Y2O3的质量比为0.5:0.5，分别制备50μm、100μm、150μm、200μm和250μm厚度的涂层。
通过配备BaSO4积分球的紫外可见近红外分光光度计对样品在0.3～2.5μm波段的反射光谱进行测量，如图5所示。由图5可以看出，随着厚度的增加，涂层在0.3～2.5μm波段的反射率逐渐上升，反射率从82.3％增加到了92.6％，这是由于随着厚度增加，TiO2和Y2O3颗粒对太阳光的散射作用增强，使更多的阳光被反射。
通过反射法用配备镀金积分球的傅里叶红外光谱仪对样品2.5～25μm波段的发射率进行测量，如图6所示。由图6可以看出，随着发射层厚度的增加，样品在中红外波段的辐射性能都保持在很高的水平，发射率都保持在90％以上。
实施例4
本实施例中，针对辐射降温温度与辐射制冷功率测试。
用实验室自组装的测试箱测试所制备辐射制冷涂层的降温性能。该装置由聚苯乙烯泡沫框架，表面贴满铝箔，高密度聚乙烯覆盖所组成，测试地点在天津，测试日期为2022年4月14日。图7显示的是辐射制冷涂层厚度为150μm、TiO2和Y2O3的质量比为0.5:0.5和1:0的样品在中午10点至下午2点期间的温度测试结果。这两种样品分别记为样品1和样品2。平均环境温度为34.5℃，样品2和样品1的平均温度分别28.2℃与30.7℃，分别低于环境温度6.3℃和3.8℃。证明样品2的制冷性能优于样品1，这与光学测试结果相呼应。
用实验室自组装的设备测试所制备辐射制冷涂层的性能。功率测试装置由三部分组成，分别为电源，反馈控制控温系统以及聚苯乙烯测温装置。测试地点在天津，测试时间为2020年6月23日的中午10:40至11:40。图8所示在阳光直射下，涂层的温度与周围环境温度产生温差，通过加热片升温使涂层的温度与外界温度相同。由图9得知涂层的平均辐射制冷功率为72.5W/m2。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (10)
1.一种近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)PDMS溶液的制备：将正己烷和PDMS混合至均一，得到澄清的均相的PDMS溶液；
(2)混合液的制备：将TiO2颗粒和Y2O3颗粒作为反射颗粒加入到PDMS溶液中，混合至均匀；再加入PDMS的固化剂，混合至均匀，获得均匀稳定的悬浮液；
(3)成膜：采用喷枪将悬浮液沉积在基体上，喷涂时控制喷枪与基体的距离，通过控制喷涂时间和涂料用量来获得相应厚度的沉积层；然后将沉积层固化，正己烷在喷涂和固化过程中挥发，得到近红外高反射型辐射制冷涂层。
2.根据权利要求1所述的近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，正己烷与PDMS的质量比为10:1。
3.根据权利要求1所述的近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，混合采用磁力搅拌器搅拌1.5～3h。
4.根据权利要求1所述的近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，TiO2颗粒与Y2O3颗粒的质量比为0～1:0～1；TiO2颗粒与Y2O3颗粒的总质量与PDMS的质量比为1～2:1。
5.根据权利要求1所述的近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，反射颗粒的混合采用磁力搅拌3～5h；PDMS的固化剂的混合采用磁力搅拌30min。
6.根据权利要求1所述的近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，PDMS与PDMS的固化剂的质量比为10:1。
7.根据权利要求1所述的近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，基体的材质为玻璃、木板、塑料或金属。
8.根据权利要求1所述的近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，喷枪与空气压缩机相连，喷枪的喷涂压力为0.8Mpa，喷枪的喷嘴的直径为1mm，喷涂时控制喷枪与基体的距离为10～15cm。
9.根据权利要求1所述的近红外高反射型辐射制冷涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，固化温度为80～120℃，时间为3～5h。
10.一种权利要求1-9任一所述制备方法制备得到的近红外高反射型辐射制冷涂层，辐射制冷涂层的厚度为50～250μm。
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2023
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