CN117965091A - 一种掺杂y2o3颗粒的辐射制冷薄膜材料的制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺杂氧化钇(Y2O3)颗粒的辐射制冷薄膜材料的制备方法与应用。该制备方法包括如下步骤:在聚二甲基硅氧烷(PDMS)前驱体中分别加入Sylgard 184硅橡胶固化剂、正己烷溶液、Y2O3颗粒,经超声振荡后形成均一的溶液;通过滴涂的方式在衬底表面形成平整的图层,最后放入烘箱干燥即可。本发明在高发射率的基体PDMS中引入高折射率粒子Y2O3,形成许多介电对比度界面,提高了薄膜的太阳反射率。该薄膜能够实现优异的日间冷却效果,在住宅和工业领域中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
一种掺杂氧化钇(Y2O3)颗粒的辐射制冷膜材料的制备方法与应用,主要涉及材料领域,特别涉及调控光学性能的辐射制冷问题,是一种不消耗任何能源的方案。
背景技术
冷却在建筑、装甲和大型设备等应用中具有很高的要求,为了满足日益增长的制冷需求,研究人员将重点放在了人类舒适的环境生活上。然而传统的电制冷技术(空调)的能耗占全国耗电量的15%左右,进一步加剧了温室气体的排放,严重阻碍了地球的可持续发展。辐射制冷作为一种无能耗的降温手段,得到了蓬勃的发展,表现出明显的实际意义。辐射冷却在不消耗任何能量或释放二氧化碳的前提下,可以通过大气窗口(8μm~13μm)自发地将热量散发到外太空,这是地球的主要自冷却途径。夜间辐射冷却自古以来就被利用;然而白天太阳辐射的一小部分热量可以使暴露的物体迅速升温,这也使得白天的辐射制冷成为挑战。为了减少白天的热量,通常需要使物体在太阳光谱(0.3μm~2.5μm)中表现出超高的反射率。因此,为实现日间的亚环境辐射冷却,设计和制造具有太阳光谱高反射率和大气窗口高发射率的冷却器是当前的首要任务。
目前,辐射冷却的研究大致分为两类:一种是光子晶体结构,在光子晶体膜上镀高反射金属,金属基底能够实现辐射体在太阳光区的高反射率,光子膜层能够实现辐射体红外光区的选择性发射。尽管这种材料能够实现优异的日间辐射制冷性能,但由于制备工艺复杂、成本较高,难以给冷却体带去可观的应用前景;另一种是聚合物基涂料,聚合物类的材料,如:丙烯酸、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)在红外光区具有较高的吸收性和发射性。这种材料具有可大面积应用的优势,但单独的聚合物材料太阳反射光谱性能不够优秀,很难实现日间下的辐射制冷。因此,提升其在太阳光区的反射率有望成为最佳的冷却方案。多孔聚合物基辐射冷却涂层由于空气和聚合物之间的折射率不匹配可提高对光的散射效果,提高太阳光的反射率。但其制造工艺相对严格,相比之下,在具有红外高发射的高分子介质中掺入太阳光高反射的无机纳米颗粒,由于其制备过程简单,材料成本低等优点越来越受研究者的青睐。因此,选择一个好的材料是实现优异的亚环境辐射冷却的关键。
发明内容
为克服现有技术的缺点与不足,本发明的目的在于提供一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料的制备方法与应用。所述的辐射冷却膜展现出 94.52%太阳光反射率和93.4%红外发射率,能够实现白天最大平均降温 7.03℃。模拟房屋实验结果表明,所述辐射制冷膜具有显著的冷却效果,与商业油漆相比,屋顶平均降温8.82℃,室内平均降温2.54℃。同时,所述辐射制冷膜制备过程简单,制备成本低,可广泛应用于建筑和工业中。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料包括PDMS基体和Y2O3颗粒。
所述的PDMS基体包括PDMS前驱体和Sylgard 184硅橡胶固化剂。
所述的Y2O3纳米颗粒为300nm~1μm。
一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料的制备方法具体包括如下步骤:
(1)PDMS溶液的制备:将Sylgard 184硅橡胶固化剂加入到PDMS 前驱体中,使用玻璃棒搅拌成均匀的溶液
(2)涂层溶液的制备:分别将正己烷溶液和Y2O3纳米颗粒加入到步骤(1)的溶液中,使用超声波振荡得到均匀分散的白色溶液。
(3)涂层成膜:将玻璃基片依次用洗涤剂、去离子水、乙醇洗净,采用滴涂的方式将步骤(2)中的溶液滴到玻璃基片上,待溶液完全铺展形成均匀完整的涂层后,放入鼓风干燥箱中干燥即可得到掺杂Y2O3颗粒的白色薄膜。
所述的PDMS和Sylgard 184硅橡胶固化剂质量比为10∶1。
步骤(1)中所述的PDMS和正己烷溶液质量比为2~3∶1~2。
步骤(2)中所述的Y2O3颗粒占总体积5%~15%。
步骤(3)中所述的干燥温度为80℃~100℃,干燥时间为50min~60min。
所述的一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷膜材料在建筑节能、食品保鲜、装甲、电子设备、航天器等领域具有广泛的应用。
本发明相对于现有技术具有如下优点:
本发明中的Y2O3颗粒具有比太阳光子能量(0.49eV~4.13eV)更大的带隙(5.6eV),以避免太阳光吸收,同时具有高的折射率(1.9),与基体的介电对比度导致单个粒子的散射更强,从而导致更大的太阳反射。
本发明通过掺杂Y2O3颗粒制备的PDMS辐射制冷薄膜,有效提高了 PDMS在中红外光波段(8μm~13μm)的大气透明窗口的辐射能力;在太阳波段具有很高的反射率,具有很好的辐射制冷效果。
本发明中的辐射制冷膜材料Y2O3、PDMS因其成熟的工业化生产、价格低廉,使其能够应用在各方面。本发明中将Y2O3颗粒直接添加到PDMS 基体中,并通过滴涂的方式在玻璃基片上形成薄膜,制备过程简单,易操作,便于大规模制备。
附图说明
图1是本发明实施例1Y2O3颗粒不同粒径的散射效率数值模拟图。
图2是本发明实施例1Y2O3颗粒不同粒径的反射率数值模拟图。
图3是本发明实施例1Y2O3颗粒不同体积分数的反射率数值模拟图。
图4是本发明实施例1辐射制冷薄膜不同厚度的反射率数值模拟图。
图5是本发明实施例2辐射制冷薄膜在紫外可见近红外(UV-VIS-NIR)区域的反射率测量结果图。
图6是本发明实施例2辐射制冷薄膜在中红外(MIR)区域的发射率测量结果图。
图7是本发明实施例3辐射制冷薄膜和商业白色油漆在太阳光照射下的红外热成像图。
图8是本发明实施例4辐射制冷温度测试装置示意图。
图9是本发明实施例4辐射制冷膜与商业白漆温度测试图,其中(a)连续测温图;(b)温差图;(c)外界环境气象图。
图10是本发明实施例5模拟建筑辐射冷却装置示意图。
图11是本发明实施例5模拟建筑辐射冷却温度测试图,其中(a)连续测温图;(b)温差图;(c)外界环境气象图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
不同参数对辐射制冷薄膜的影响
本发明用FDTD数值模拟了Y2O3粒径大小对辐射制冷薄膜光学性质的影响,将Y2O3体积分数设置为5%,薄膜厚度设置为500μm,粒径分别设置为300nm、400nm、500nm、600nm、800nm,模拟Y2O3粒径大小对散射效率的影响。如附图1所示,随着粒径的增加,散射峰发生红移,散射峰变宽。通过模拟薄膜在不同粒径下的反射率,如附图2所示,可以观察到随着波长的增加反射率呈先增加后下降的趋势,同时随着粒径的增大,最大反射率也发生红移,这与其散射峰对应。同时可以发现粒径的增大反射率整体增大,当粒径从300nm增大到500nm时,反射率明显提高,当粒径从500nm增大到800nm时,反射率提高并不明显。综上所述,通过对散射系数和反射率的模拟,我们最终确定选择粒径为500nm Y2O3的颗粒。
本发明用FDTD数值模拟了Y2O3的体积分数对辐射制冷膜光学性质的影响,Y2O3粒径设置为500nm,将薄膜厚度设置为500μm。本发明设置体积分数不超过15%,因此对5%、10%、15%三种体积分数的薄膜光学性质进行模拟,结果如附图3所示。可以发现,通过提高Y2O3颗粒的体积分数,可以整体提高反射率,但随着体积分数增加到一定值时,反射率升高不明显。因此,对比Y2O3颗粒三种不同体积分数,Y2O3颗粒10%和15%体积分数明显优于5%体积分数,但10%体积分数与15%体积分效果相差不明显,所以选择Y2O3颗粒体积分数为10%最合适。
本发明用FDTD数值模拟了辐射制冷薄膜厚度对其光性能的影响, Y2O3粒径设置为500nm,体积分数设置为5%,辐射制冷薄膜厚度分别设置为200μm、350μm、500μm、650μm、800μm,结果如附图4所示。随着薄膜的厚度增加,反射率呈先增加后降低的趋势,当薄膜厚度为500μm时,反射率最大,因此选择薄膜厚度为500μm。
实施例2
掺杂Y2O3辐射制冷膜光学特性的测量
(1)PDMS溶液的制备:将0.2g Sylgard 184硅橡胶固化剂加入到2g PDMS前驱体中,使用玻璃棒搅拌成均一的溶液。
(2)涂层溶液的制备:分别将0.8g正己烷溶液和1g 500nmY2O3纳米颗粒加入到步骤(1)的溶液中,使用超声波振荡得到均匀分散的白色溶液。
(3)涂层成膜:将玻璃基片依次用洗涤剂、去离子水、乙醇洗净,采用滴涂的方式将步骤(2)中的溶液滴到玻璃基片上(10cm×10cm),待溶液完全铺展开形成均匀完整的涂层后,放入鼓风干燥箱中90℃干燥60min 即可得到掺杂Y2O3的白色薄膜。
利用紫外可见近红外光谱仪对合成的辐射制冷薄膜的反射率进行测量,薄膜在可见近红外区域显示的反射率图谱如附图5所示。从图可以看出,在0.5μm~1.3μm区域内反射率可达到93%。利用配有金积分球的傅里叶变换红外光谱仪,测量了薄膜在2.5μm~25μm反射率,进一步计算得到薄膜在2.5μm~25μm发射率为93.4%,结果如附图6所示。因此,可以发现薄膜在可见到近红外区域具有较高的反射率,在中红外区域呈现高发射率。
实施例3
在阳光下测量掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷膜和商业白色油漆的红外热像图。
具体步骤为:按照实施例2的方法将薄膜覆盖在一块10cm×10cm的混凝土砖块上,并将相同质量的油漆刷在相同大小的混凝土砖块上。在太阳光下连续照射30min,每隔7min记录一次,结果如图7所示。从图可以看出,在连续太阳光照射30min后,覆盖有掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷膜的混凝土砖块温度由29.3℃上升到34.1℃,温度上升了4.8℃,相比之下,使用了商业白色油漆的混凝土砖块温度由29℃上升到36.5℃,温度上升了 6.5℃。明显地,商业白色油漆的升温快,而掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷膜对温度上升具有抑制作用。
实施例4
辐射制冷测试
温度测试装置如附图8所示,装置中LDPE膜是为了减少对流传导对降温效果的影响,装置的主体主要为聚苯乙烯泡沫塑料,是一种良好的隔热材料,有利于减少热传导带来的影响,同时,聚苯乙烯泡沫上覆盖一层具有超强隔热性能的高反射铝箔。图中辐射制冷膜(按照实施例2方法制备)覆盖在铜片上方,其中商业白色油漆作为对照。热电偶用于检测腔室内的环境温度、辐射制冷膜覆盖的铜片温度以及商业白色油漆覆盖下的铜片温度。另外配有一个风速仪、太阳光功率计和湿度计用于测试户外气象条件。
在七月份一个晴朗的天气下(2022年7月6日),测试装置水平放置于台面,测试记录了白天11:00~14:00的温度变化,测试结果如附图9所示。其中掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷膜比环境温度平均降低了7.1℃,而商业油漆的温度比环境温度平均高出3.64℃,测试的湿度大约为30%,平均风速为0.4m/s。由此可知掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷膜对比商业白色油漆具有明显的制冷效果。
实施例5
模拟建筑辐射冷却实验
(1)PDMS溶液的制备:将0.4g Sylgard 184硅橡胶固化剂加入到4g PDMS前驱体中,使用玻璃棒搅拌成均一的溶液
(2)涂层溶液的制备:分别将1.6g正己烷溶液和2g 500nm Y2O3纳米颗粒加入到步骤(1)的溶液中,使用超声波振荡得到均匀分散的白色溶液。
(3)涂层成膜:将玻璃基片依次用洗涤剂、去离子水、乙醇洗净,采用滴涂的方式将步骤(2)中的溶液滴到玻璃基片上(20cm×20cm),待溶液完全铺展开形成均匀完整的涂层后,放入鼓风干燥箱中90℃干燥60min 即可得到掺杂Y2O3的白色薄膜。
制作两个亚克力盒子用于模拟房屋(20cm×20cm×20cm),装置示意图如附图10所示。盒子的顶部用于模拟房屋屋顶,盒子内部用于模拟室内环境。覆盖有掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜的房屋为实验组,覆盖有商业白色油漆的房屋为对照组,分别在两个房屋的屋顶和室内设置热电偶,用于实时检测温度变化。
在七月份一个晴朗的天气下(2022年7月8日),测试装置水平放置于台面,测试记录了白天11:00~14:00的温度变化,测试结果如附图11所示。其中覆盖掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜的屋顶温度比覆盖商业油漆的屋顶温度平均降低了8.82℃,室内温度则平均降低了2.54℃,测试湿度大约为27%,平均风速为0.66m/s。
Claims (9)
1.一种掺杂氧化钇(Y2O3)颗粒的辐射制冷薄膜材料,其特征在于,所述一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体和Y2O3颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料,其特征在于,所述的PDMS基体包括PDMS前驱体和Sylgard 184硅橡胶固化剂。
3.根据权利要求1所述的一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷膜材料,其特征在于,所述的Y2O3纳米颗粒为300nm~1μm。
4.一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)PDMS溶液的制备:将Sylgard 184硅橡胶固化剂加入到PDMS前驱体中,使用玻璃棒搅拌成均一的溶液。
(2)涂层溶液的制备:分别将正己烷溶液和Y2O3纳米颗粒加入到步骤(1)的溶液中,使用超声波振荡得到均匀分散的白色溶液。
(3)涂层成膜:将玻璃基片依次用洗涤剂、去离子水、乙醇洗净;采用滴涂的方式将步骤(2)中的溶液滴到玻璃基片上,待溶液完全铺展开形成均匀完整的涂层;最后放入鼓风干燥箱中烘干即可得到掺杂Y2O3的白色薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料的制备方法,其特征在于,PDMS和Sylgard 184硅橡胶固化剂质量比为10∶1。
6.根据权利要求4所述的一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中PDMS和正己烷溶液质量比为2~3∶1~2。
7.根据权利要求4所述的一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)Y2O3颗粒占总体积5%~15%。
8.根据权利要求4所述的一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)干燥温度为80℃~100℃,时间为50min~60min。
9.一种掺杂Y2O3颗粒的辐射制冷薄膜材料的制备方法与应用,其特征在于,在建筑节能、食品保鲜、装甲、电子设备、航天器等领域广泛应用。
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