CN117106225A - 一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，属于能源利用技术领域，包括如下步骤：S1.将左旋聚乳酸、右旋聚乳酸和致孔剂在溶剂中搅拌，得复合溶液；S2.将超细玻璃纤维加入复合溶液共混，冷冻成型得样品；S3.将样品转移至进行冷冻干燥，得复合多孔材料。本发明的制备方法，利用超细玻璃纤维进行增强，提高力学性能的同时，也获得了较高反射率，在大气窗口波段具有高发射率，具备优异的日夜被动辐射制冷性能；本发明的制备方法，通过调配各组分的比例，得到了具有多种不同孔径分布的多孔体系，提高了辐射制冷效果，且本发明的制备方法简单，可连续大规模制备，适合工业放大应用，同时可根据实际需要设计不同的材料。
Description
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，具体涉及一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法。
背景技术
近年来，人口的快速增长和工业的集约化发展使地球逐年变暖，夏季温度屡创新高，就不得不制冷，使人们有一个舒适的环境。然而传统的压缩冷却系统，如空调制冷时，需要消耗大量的能源，制冷后也会产生大量的二氧化碳等温室气体，同时还会破坏臭氧层，造成能源危机和环境问题。因此，寻求节能、环保的冷却策略是非常尤为必要的。
日间被动辐射制冷(PDRC)材料利用8～13μm的“大气窗口”将热量散逸到寒冷(约3K)的外太空，同时反射0.3～2.5μm的太阳光，实现了物体表面在太阳光直射下的自发降温，零能耗、零污染。PDRC材料因无需能量输入且无温室气体排放，便可将热量从大气窗口发射到外太空而自发冷却的特点引起关注，其在节能环保和个人热管理领域具有巨大应用潜力。因此PDRC材料的选择和结构的设计，需使物体在太阳辐射波长(0.3～2.5μm)范围实现高反射率，极大阻挡通过太阳辐射的热量输入；同时在大气窗口波段(8～13μm)内实现高发射率，从而将物体的热辐射损失最大化进而达到降低温度的目的。发展高效的PDRC材料对于减缓能源消耗，实现可持续发展有重要意义。
申请专利文献公开号为CN202210752793.7公开了一种辐射制冷复合纤维，将聚乳酸加入到二氧化钛的四氯甲烷溶液得到混合溶液，再用刮刀将混合溶液涂刮成薄膜，干燥后打碎成粉，烘干除去四氯甲烷得到聚乳酸和二氧化钛的复合材料备用，将复合材料置于模具中热压成型后再经车床切削得到纤维预制棒。将纤维预制棒插入加热炉中，使纤维预制棒依次通过纤维测径仪、张力检测桩测、辅助牵引轮，然后收到线盘并在合适张力下调整牵引速度得到外径均匀的辐射制冷复合纤维，最后将得到的辐射制冷纤维浸入聚多巴胺溶液中进行亲水改性，实现了对可见—近红外太阳光具有高反射率且在大气窗口具有高发射率。但是该专利的制备流程较为复杂，成本相对较高，并不适用于大规模应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，以解决现有技术中辐射制材料力学性能差、制备方法复杂、成本高等问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1.将左旋聚乳酸、右旋聚乳酸和致孔剂在溶剂中搅拌，溶解后得复合溶液；
S2.将超细玻璃纤维加入至复合溶液中共混，而后进行冷冻成型，得样品；
S3.将样品转移至冷冻干燥机中进行冷冻干燥，即得复合多孔材料。
进一步地，所述步骤S1中的左旋聚乳酸、右旋聚乳酸的重均分子量军为100～3000kg/mol，且左旋聚乳酸和右旋聚乳酸的质量比为1：9～9：1。
进一步地，所述步骤S1中的致孔剂为去离子水、聚乙二醇、羟丙基纤维素、聚维酮、聚氨酯、聚乙烯吡咯烷酮、尿素、滑石粉中的至少一种；所述步骤S1中的溶剂为二甲基甲酰胺、1，4-二氧六环、三氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲苯、丁酮中的至少一种。
进一步地，所述步骤S1中的搅拌温度为20℃～70摄氏度，搅拌速率为400～900rpm，搅拌时间为3～10小时。
进一步地，所述步骤S2中超细玻璃纤维的直径为1-5μm，长径比为1000-3000，超细玻璃纤维组成包括SiO2、CaO、MgO、Al2O3、Na2O、K2O、Fe2O3、B2O3。
进一步地，所述步骤S2中共混条件的搅拌温度20℃～60摄氏度，搅拌速率500～1000rpm，搅拌时间1～5小时。
进一步地，所述步骤S1中，复合溶液的固含量为5～30wt％；步骤S2中超细玻璃纤维添加量为复合溶液的3～20wt％。
进一步地，所述步骤S2中，冷冻温度为-90～-10摄氏度，冷冻时间为6～42小时。
进一步地，所述步骤S3中，冷冻干燥处理的温度为-80～-20摄氏度，冷冻干燥的气压为5～15pa，冷冻时间为12～72小时，
本发明还提供一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料，采用如权利要求1～9任一所述方法得到。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的被动辐射制冷复合多孔材料的制备方法，利用超细玻璃纤维进行增强，提高力学性能的同时，在太阳辐射波段(0.3～2.5μm)获得了较高反射率，在大气窗口波段(8～13μm)具有高发射率，具备优异的日夜被动辐射制冷性能；
2、本发明的辐射制冷聚乳酸复合多孔材料的制备方法，通过调配各组分的比例，得到了具有三种不同孔径分布的多孔体系，提高了辐射制冷效果，本发明的制备方法简单，可连续大规模制备，适合工业放大应用，同时可根据实际需要设计不同的材料。
本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为实施例1制备的被动辐射制冷复合多孔材料液氮脆断截面SEM图；
图2为实施例2制备的被动辐射制冷复合多孔材料液氮脆断截面SEM图；
图3为实施例3制备的被动辐射制冷复合多孔材料液氮脆断截面SEM图；
图4为实施例4制备的被动辐射制冷复合多孔材料液氮脆断截面SEM图；
图5为对比例1制备的被动辐射制冷复合多孔材料液氮脆断截面SEM图；
图6为对比例1制备的被动辐射制冷复合多孔材料反射率表征图；
图7为实施例1备的被动辐射制冷复合多孔材料反射率表征图；
图8为实施例1制备的被动辐射制冷复合多孔材料发射率表征图；
图9为实施例1制备的被动辐射制冷复合多孔材料表面水接触角表征图；
图10为实施例2制备的被动辐射制冷复合多孔材料应力应变曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法。
实施例1
S1、将0.125g左旋聚乳酸(PLLA)、0.125g右旋聚乳酸(PDLA)、0.4ml去离子水、20ml1，4-二氧六环，于40摄氏度下，以600rpm搅拌6小时，得PLLA、PDLA完全溶解且透明的复合溶液；
S2、向复合溶液加入0.0125g超细玻璃纤维，并于40摄氏度下，以600rpm搅拌5小时，共混得超细玻璃纤维均匀分布的混合溶液，将混合溶液以-40摄氏度冷冻18小时，成型得样品；
S3、将样品转移至冷冻干燥机中，在-70摄氏度、5pa条件下，进行冷冻干燥20小时，即得具有被动辐射制冷功能的聚乳酸复合多孔材料。
说明：实施例1制得的复合多孔材料的液氮脆断截面形貌SEM如图1所示，由图1体现出其同时具有50～500nm、2～50μm、50～200μm三种不同分布的孔洞。
实施例1制得的辐射制冷聚乳酸复合多孔材料的太阳光反射率为0.92(如图7所示)，大气窗口发射率为0.95(如图8所示)。
实施例1制得的被动辐射制冷复合多孔材料表面的水接触角为141°(如图9所示)，表明该被动辐射制冷复合多孔材料具有良好的疏水性，可应用于更多场景。
实施例2
S1、将0.25g左旋聚乳酸(PLLA)、0.25g右旋聚乳酸(PDLA)、0.5ml去离子水、10ml1，4-二氧六环，于50摄氏度下，以600rpm搅拌5小时，得PLLA、PDLA完全溶解且透明的复合溶液；
S2、向复合溶液加入0.025g超细玻璃纤维，并于30摄氏度下，以700rpm搅拌3小时，共混得超细玻璃纤维均匀分布的混合溶液，将混合溶液以-30摄氏度冷冻24小时，成型得样品；
S3、将样品转移至冷冻干燥机中，在-50摄氏度、10pa条件下，进行冷冻干燥24小时，即得具有被动辐射制冷功能的聚乳酸复合多孔材料。
说明：实施例2制得的复合多孔材料的液氮脆断截面形貌SEM如图2所示，由图2体现出其同时具有50～500nm、2～50μm、50～200μm三种不同分布的孔洞。
如图10所示，本实施例制得的被动辐射制冷复合多孔材料具有良好的力学性能。
实施例3
S1、将0.3g左旋聚乳酸(PLLA)、0.3g右旋聚乳酸(PDLA)、0.8ml去离子水、30ml二甲基甲酰胺，于50摄氏度下，以700rpm搅拌6小时，得PLLA、PDLA完全溶解且透明的复合溶液；
S2、向复合溶液加入0.09g超细玻璃纤维，并于50摄氏度下，以600rpm搅拌3小时，共混得超细玻璃纤维均匀分布的混合溶液，将混合溶液以-60摄氏度冷冻24小时，成型得样品；
S3、将样品转移至冷冻干燥机中，在-60摄氏度、5pa条件下，进行冷冻干燥36小时，即得具有被动辐射制冷功能的聚乳酸复合多孔材料。
说明：实施例3制得的复合多孔材料的液氮脆断截面形貌SEM如图3所示，由图3体现出其同时具有50～500nm、2～50μm、50～200μm三种不同分布的孔洞。
实施例4
S1、将0.5g左旋聚乳酸(PLLA)、0.5g右旋聚乳酸(PDLA)、1ml去离子水、40ml二甲基甲酰胺，于60摄氏度下，以600rpm搅拌4小时，得PLLA、PDLA完全溶解且透明的复合溶液；
S2、向复合溶液加入0.2g超细玻璃纤维，并于30摄氏度下，以800rpm搅拌2小时，共混得超细玻璃纤维均匀分布的混合溶液，将混合溶液以-50摄氏度冷冻36小时，成型得样品；
S3、将样品转移至冷冻干燥机中，在-70摄氏度、5pa条件下，进行冷冻干燥48小时，即得具有被动辐射制冷功能的聚乳酸复合多孔材料。
说明：本实施例制得的辐射制冷聚乳酸复合多孔材料的液氮脆断截面形貌SEM如图4所示，由图4体现出其同时具有50～500nm、2～50μm、50～200μm三种不同分布的孔洞。
为了证明本发明专利的优越性，在此提供对比例1：
对比例1：
S1、将0.3g左旋聚乳酸(PLLA)、0.1g右旋聚乳酸(PDLA)、0.5ml去离子水、15ml二甲基甲酰胺，于30摄氏度下，以500rpm搅拌5小时，得PLLA、PDLA完全溶解且透明的复合溶液；
S2、将复合溶液以-90摄氏度冷冻12小时，成型得样品；
S3、将样品转移至冷冻干燥机中，在-80摄氏度、15pa条件下，进行冷冻干燥18小时，即得具有被动辐射制冷功能的聚乳酸多复合孔材料。
说明：对比例1制得的辐射制冷聚乳酸多孔材料的液氮脆断截面形貌SEM如图5所示，图5体现出其同时具有50～500nm、2～50μm、50～200μm三种不同分布的孔洞。
对比例1制得的聚乳酸多孔材料的太阳光反射率为0.85(如图6所示)，大气窗口发射率为0.89。
通过比较对比例1与实施例1，实施例1制得的辐射制冷聚乳酸复合多孔材料的太阳光反射率为0.92，大气窗口发射率为0.95；而对比例1制得的聚乳酸多孔材料，太阳光反射率为仅为0.85，大气窗口发射率也仅为0.89。二者相比较，实施例1的辐射制冷聚乳酸复合多孔材料的太阳光的反射效果更好，使得制冷效果也更好。本发明的制备流程简单易重复，充分利用孔隙的散射作用，可增加对太阳光的反射率从而提高辐射制冷效果。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1.将左旋聚乳酸、右旋聚乳酸和致孔剂在溶剂中搅拌，溶解后得复合溶液；
S2.将超细玻璃纤维加入至复合溶液中共混，而后进行冷冻成型，得样品；
S3.将样品转移至冷冻干燥机中进行冷冻干燥，即得复合多孔材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的左旋聚乳酸、右旋聚乳酸的重均分子量军为100～3000kg/mol，且左旋聚乳酸和右旋聚乳酸的质量比为1：9～9：1。
3.根据权利要求1所述的一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的致孔剂为去离子水、聚乙二醇、羟丙基纤维素、聚维酮、聚氨酯、聚乙烯吡咯烷酮、尿素、滑石粉中的至少一种；所述步骤S1中的溶剂为二甲基甲酰胺、1，4-二氧六环、三氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲苯、丁酮中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的搅拌温度为20℃～70摄氏度，搅拌速率为400～900rpm，搅拌时间为3～10小时。
5.根据权利要求1所述的一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中超细玻璃纤维的直径为1-5μm，长径比为1000-3000，超细玻璃纤维组成包括SiO2、CaO、MgO、Al2O3、Na2O、K2O、Fe2O3、B2O3。
6.根据权利要求1所述的一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中共混条件的搅拌温度20℃～60摄氏度，搅拌速率500～1000rpm，搅拌时间1～5小时。
7.根据权利要求1所述的一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，复合溶液的固含量为5～30wt％；步骤S2中超细玻璃纤维添加量为复合溶液的3～20wt％。
8.根据权利要求6所述的一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，冷冻温度为-90～-10摄氏度，冷冻时间为6～42小时。
9.根据权利要求1所述的一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，冷冻干燥处理的温度为-80～-20摄氏度，冷冻干燥的气压为5～15pa，冷冻时间为12～72小时。
10.一种具有被动辐射制冷功能的复合多孔材料，其特征在于，如权利要求1～9任一所述方法得到。
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