CN1975385B - 一种用红外光谱筛选辐射致冷材料的方法 - Google Patents

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一种用红外光谱筛选辐射致冷材料的方法，涉及一种筛选辐射致冷材料的方法。首先建立8-13μm(1250-769cm-1)理想吸收曲线；然后根据红外光谱中的基团吸收频率规律，在红外光谱的标准光谱图Sadtler IR计算机数据库中，采用最近似处理进行数据检索，搜寻8-13μm(1250-769cm-1)波段有强吸收基团的材料；再在检索出的结果中进行人工细化辨别；最后对所筛选出材料的性能进行实验检验验证。本发明的筛选辐射致冷材料方法具有快速、高效、范围广泛等优点；采用本方法可搜寻和筛选出符合辐射致冷要求的有机、无机及有机无机复合材料，并可进一步结合材料的太阳波段吸收率作进一步的优化筛选为得到低吸收、高发射材料提供了良好基础，具有很大的实际应用价值和社会价值。

Description

一种用红外光谱筛选辐射致冷材料的方法
技术领域
一种用红外光谱筛选辐射致冷材料的方法，涉及一种筛选辐射致冷材料的方法，属于材料科学与能源工程科学技术领域。
背景技术
科学家对大气光谱透过特性的分析知道，大气层对不同波长的电磁波有不同的透射率，透射率较高的波长段称为“大气窗口”，0.3-2.5μm、3.2-4.8μm和8-13μm就是这样的“大气窗口”。其中8-13μm波段是科学家们最感兴趣的，因为常温下的黑体辐射主要集中在这一波段。通过辐射换热，物体在不耗能的情况下，将自身热量以8-13μm的电磁波形式排放到外宇宙绝对零度空间，达到自身冷却的目的，这就是被动式辐射致冷。
当今，能源危机和环境污染已成为世界两大难题，研发出新能源，新技术已是刻不容缓的任务。被动式辐射致冷技术是顺应了时代的要求，作为一种建筑物空调手段得到了蓬勃的发展的实例，是具有明显的实际意义的，并被预言将会象半导体等功能材料的发展带来电信和计算机产业的兴起和发展一样，给能源领域带来重大的变革，使人类在环境保护和能源利用两方面得到和谐的发展。
实现辐射致冷的关键是寻找理想的光谱选择性材料。假设一理想选择性辐射体，在8-13μm波段内辐射率为1，而在8-13μm波段外反射率也为1，那么它就只在8-13μm波段内吸收和辐射能量，而将8-13μm波段外的辐射全部反射掉，外空间通过大气窗口透射的热辐射只有很少一部分被辐射体吸收，而辐射体通过8～13μm窗口大量向外空辐射热量，其结果是温度将不断下降。研究表明，具有这种特性的理想辐射体可以把物体表面的温度降得比环境温度低30℃之多。当然这种理想的选择性辐射体是不存在的，但是我们可以选择一些光谱选择性材料，通过复合或者组合，制成接近理想的选择性辐射体。近十年来，已经找到了一些不错的辐射致冷材料(例如聚四氟乙烯薄膜)。但是，有些材料的自然辐射冷却极限功率均低于100W/m2，用它来改善人们居住和劳动条件还是很不现实的。有些材料制备工艺复杂，价格昂贵，不宜用于大量生产。因而寻找更为优良的辐射致冷材料，还将是其领域的首要任务。
关于在大千物质世界如何寻找优良的辐射致冷材料，目前国内外并没有系统科学的方法报道。李戬洪等人提出了查阅sadtler IR标准光谱图来选取合适的辐射致冷材料，但sadtler IR标准光谱图多达20多万张，资料并没有指出如何查阅谱图。其他相关文献只是零星的提出了某些优良的辐射致冷材料，并验证其效果，但都没有提到预先是怎样筛选其材料的。
发明内容
本发明的目的是提供一种简便有效的搜寻辐射致冷材料的方法。用该方法搜寻到的辐射致冷材料经过验证，其致冷效果具有实际使用的价值。
为了达到上述目的，本发明经过长期对辐射致冷材料的研究发现，光谱选择性是辐射致冷材料的最大特征，因此从光谱分析出发在物质世界寻找理想辐射致冷材料是一种值得尝试的方法。发明人从红外光谱谱图(Sadtler IR标准光谱图)的相关规律出发，结合计算机检索技术提出了一种筛选辐射致冷材料的新方法，并通过对筛选的物质进行吸收比、发射比以及辐射致冷效果的测定，证实一种优良的辐射致冷材料要求8-13μm有较高的辐射率。因为，根据基尔霍夫辐射定理：在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下的黑体对同一波长的单色辐出度。可见好的吸收体也是好的辐射体，因而只需要满足在8-13μm波段内有高的吸收率，便可以满足辐射致冷材料的要求。本发明首先建立8-13μm(1250-769cm-1)理想吸收曲线；然后在红外光谱的标准光谱图计算机数据库(如Sadtler IR数据库)采用最近似处理进行数据检索；再在检索出的结果中进行人工细化辨别；最后对所筛选出材料的性能进行实验检验验证。具体步骤如下：
第一步，建立8-13μm波段理想吸收曲线；
第二步，利用Sadtler IR的标准光谱图计算机数据库中的搜索工具，采用最近似处理进行数据检索，将第一步建立的理想吸收曲线作为检索比对对象，并将计算机识别匹配度设置为“基本匹配”，然后进行检索，搜寻出基本符合辐射致冷要求的材料；
第三步，将第二步的检索结果得到的基本符合辐射致冷要求的材料进行人工识别筛选，筛选出吸收峰8-13μm波段的具体位置及峰值为80-90％的材料，通过人工识别筛选得到的材料为符合辐射致冷要求的材料；
第四步，对第三步所筛选出的材料进行包括以下两个方面的性能验证，A、材料发射率的测定：将待测材料研磨成60目，然后用丙烯酸或有机硅作为胶粘剂按待测材料∶胶粘剂＝1∶0.05-0.1质量比混合制成涂料，涂覆在40mm×40mm×1mm的铝板基材试片上，将其置于无灰尘处晾干，制成测试样板，再采用FXL-1的吸收/发射比测定仪测定其法向发射率；B、材料辐射致冷效果的测定：先制作一个有效致冷面积为100mm×50mm的辐射致冷装置，该装置的内腔致冷空间尺寸为120mm×50mm×60mm，致冷空间四壁和底部用铝板贴上，外围有保温材料，顶部有0.03mm的聚乙烯薄膜透明盖板，然后将A步制作的测试样板放入装置的致冷空间内腔，再将此装置置于晴朗夜空下，测试装置内腔温度，将内腔温度与环境温度相比，下降幅度表示所选出的材料的辐射致冷效果。
本发明具有如下优点：
1.由于本发明的筛选辐射致冷材料方法所建立的理想吸收曲线是有科学依据并符合实际情况的比对物，通过计算机数据库中众多材料与它比对搜索到的符合要求的材料后再用人工识别手段筛选，因此该方法具有快速、高效、范围广泛等优点。
2.采用本方法可筛选出有机、无机及有机无机复合材料，并进一步用两种方法进行验证，确保所选到的材料性能并可按照应用领域不同筛选符合要求的材料，结合材料的太阳波段吸收率作进一步的优化筛选工作，为筛选低吸收、高发射材料提供了良好基础，具有很大的实际应用价值和社会价值。
附图说明
图1为本发明筛选时制定的8-13μm波段理想吸收曲线
图2为本发明对筛选到的辐射致冷材料的致冷效果验证用的实验装置示意图
其中的图标说明如下：
1-盖板；2-致冷空间；3-辐射致冷材料；4-保温材料；5-外壳。
具体实施方式
实施例1
请参阅图1，图2。
首先建立8-13μm(1250-769cm-1)理想吸收曲线；然后利用Sadtler IR数据库中的搜索工具，将本发明的图1所示的理想曲线作为检索比对对象，并将计算机识别匹配度设置为“基本匹配”，然后在多达20多万张sadtler IR标准光谱图进行检索，再在检索出的结果中以吸收峰位于8μm附近、且峰值超过80％为标准，进行人工细化辨别发现氟化钙材料是其中的一种辐射致冷材料。最后对所筛选出的氟化钙材料的性能进行实验检验验证：将其研磨成粉后(约60目)，与丙烯酸粘结剂(上海华谊丙烯酸有限公司生产，其有效成分含量≥99.6％)按1∶0.05(质量比)混合拌制成涂料涂覆于40mm×40mm×1mm的铝板基材试片上，置于室内环境中晾干，制成测试样板。采用FXL-1的吸收/发射比测定仪测定其法向发射率为0.93。
辐射致冷效果：先制作一个图2所示的有效致冷面积为100mm×50mm的辐射致冷装置，该装置的内腔致冷空间2的尺寸为120mm×50mm×60mm，致冷空间2四壁和底部用铝板贴上，外围有保温材料4，保温材料4的外围由外壳5，顶部有0.03mm的聚乙烯薄膜透明盖板1，然后将A步制作的涂敷了辐射致冷材料3的测试样板放入装置的致冷空间2内，再将此装置置于晴朗夜空下，测试装置的致冷空间2内温度，将内腔温度与环境温度相比，下降幅度表示所选出的材料的辐射致冷效果。经本发明的辐射致冷实验装置测得该材料的辐射致冷效果为10℃。将其涂覆于房屋顶面，测得其辐射致冷降温效果为5℃。
实施例2
采用与实施例1相同的做法，利用Sadtler IR数据库中的搜索工具，将本发明图1所示的理想曲线作为检索比对对象，并将计算机识别匹配度设置为“基本匹配”，然后进行检索，最后在检索结果中以吸收峰位于10μm附近、且峰值超过80％为标准，人工识别筛选出硫酸钡材料，将其研磨成粉后(约60目)，与有机硅粘结剂(上海统帅有机硅材料有限公司生产，其有效成分含量≥90％)按1∶0.10(质量比)混合拌制成涂料涂覆于40mm×40mm×1mm的钢板基材试片上，置于室内环境中晾干，制成测试样板。采用FXL-1的吸收/发射比测定仪测定其法向发射率为0.94。采用图2所示辐射致冷实验装置测得其辐射致冷效果为12℃，将其涂覆于房屋顶面，测得其辐射致冷降温效果为6℃。
实施例3
用实施例1相同做法：利用Sadtler IR数据库中的搜索工具，将本发明图1所示的理想曲线作为检索比对对象，并将计算机识别匹配度设置为“基本匹配”，然后进行检索，最后在检索结果中以吸收峰位于11μm附近、且峰值超过90％为标准，人工识别筛选出Na2H2P2O7材料，将其研磨成粉后(约60目)，与有机硅粘结剂(上海统帅有机硅材料有限公司生产，其有效成分含量≥90％)按1∶0.10(质量比)混合拌制成涂料涂覆于40mm×40mm×1mm的陶瓷板基材试片上，置于室内环境中晾干，制成测试样板。采用FXL-1的吸收/发射比测定仪测定其法向发射率为0.95。采用图2所示辐射致冷实验装置测得其辐射致冷效果为13℃，其涂覆于房屋顶面，测得其辐射致冷降温效果为6℃。
实施例4
如实施例1一样，利用Sadtler IR数据库中的搜索工具，将本发明图1所示的理想曲线作为检索比对对象，并将计算机识别匹配度设置为“基本匹配”，然后进行检索，最后在检索结果中以吸收峰位于13μm附近、且峰值超过80％为标准，人工识别筛选出聚三氟氯乙烯材料，采用厚度约为0.1mm聚三氟氯乙烯薄膜用有机硅(上海统帅有机硅材料有限公司生产，其有效成分含量≥90％)将其粘附在40mm×40mm×1mm的石棉水泥板基材试片上，采用FXL-1的吸收/发射比测定仪测定其法向发射率为0.93。采用图2所示辐射致冷实验装置测得其辐射致冷效果为11℃。将其粘附于房屋顶面，测得其辐射致冷降温效果为4℃。

Claims (1)

1.一种用红外光谱筛选辐射致冷材料的方法，其特征在于：
第一步，建立8-13μm波段理想吸收曲线；
第二步，利用Sadtler IR的标准光谱图计算机数据库中的搜索工具，采用最近似处理进行数据检索，将第一步建立的理想吸收曲线作为检索比对对象，并将计算机识别匹配度设置为“基本匹配”，然后进行检索，搜寻出基本符合辐射致冷要求的材料；
第三步，将第二步的检索结果得到的基本符合辐射致冷要求的材料进行人工识别筛选，筛选出吸收峰8-13μm波段的具体位置及峰值为80-90％的材料，通过人工识别筛选得到的材料为符合辐射致冷要求的材料；
第四步，对第三步所筛选出的材料进行包括以下两个方面的性能验证，A、材料发射率的测定：将待测材料研磨成60目，然后用丙烯酸或有机硅作为胶粘剂，按待测材料∶胶粘剂＝1∶(0.05-0.1)质量比混合制成涂料，涂覆在40mm×40mm×1mm的铝板基材试片上，将其置于无灰尘处晾干，制成测试样板，再采用FXL-1的吸收/发射比测定仪测定其法向发射率；B、材料辐射致冷效果的测定：先制作一个有效致冷面积为100mm×50mm的辐射致冷装置，该装置的内腔致冷空间尺寸为120mm×50mm×60mm，致冷空间四壁和底部用铝板贴上，外围有保温材料，顶部有0.03mm的聚乙烯薄膜透明盖板，然后将A步制作的测试样板放入装置的致冷空间内腔，再将此装置置于晴朗夜空下，测试装置内腔温度，将内腔温度与环境温度相比，下降幅度表示所选出的材料的辐射致冷效果。
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