CN210970215U

CN210970215U - 一种可降解辐射制冷薄膜

Info

Publication number: CN210970215U
Application number: CN201921827471.4U
Authority: CN
Inventors: 陈剑洪; 林娜; 杨戈尔; 付鑫
Original assignee: Xiamen Yinyi New Energy Technology Co ltd
Current assignee: Xiamen Yinyi New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2029-10-29

Abstract

本实用新型涉及一种可降解辐射制冷薄膜，所述可降解辐射制冷薄膜包括辐射制冷层和反射层，其中，所述辐射制冷层为聚乳酸树脂层，制冷微粒分散在所述聚乳酸树脂层中，所述反射层位于所述辐射制冷层的一侧。本实用新型所述可降解辐射制冷薄膜具有降解性能，土壤掩埋实验测得其降解率可达69％，同时具有较好的制冷效果。

Description

一种可降解辐射制冷薄膜

技术领域

本实用新型涉及功能薄膜材料，尤其是一种可降解辐射制冷薄膜。

背景技术

被动日间辐射冷却是指物体通过反射阳光和将热量辐射到寒冷的宇宙空间来自发冷却表面的现象，是近年来一个十分有潜力的热点研究课题，凭借不消耗额外外部能量，零污染，安全高效清洁的优点而越来越受重视。

增强辐射制冷能力的办法是尽量提高物体表面对太阳辐射(波长在0.3-2.5微米之间)的反射率，同时尽可能增强透明大气窗口谱段(8-13微米)的红外发射率。一般的物体往往难以同时具备以上两项性能，或者对太阳辐射的吸收较大，或者在大气窗口的红外辐射能力较弱，这导致在太阳直射条件下物体不具有制冷能力，表面会被逐渐加热升温。

增强物体表面太阳反射能力的方法较为简单，可以通过对太阳光高反射的材料(如镀银或镀铝)来实现。增强大气窗口谱段的红外辐射能力比较复杂，研究发现一些人造微纳材料或者表面超材料具有特殊的红外辐射能力，通过表面微纳结构与电磁波耦合作用(如表面声子激元、微腔谐振效应等)可大大提高大气透明窗口的红外发射率。

澳大利亚斯温伯恩理工大学科研团队提出了一种各向异性的多周期圆锥矩阵表面超材料结构，可高度增强在8-13微米大气透明度窗口的红外发射，在大气环境下具有116.6Wm^-2的极高冷却功率。美国斯坦福大学的科研团队研制了一种辐射冷却器，其是由金属反射器及位于其顶部的七个交替的SiO₂和HfO₂纳米层组成，在透明窗口中产生约0.65的平均发射率，实现在阳光直射下比环境温度降低5℃的效果。以上微纳加工方法工艺复杂，成本昂贵，所制冷却器件柔韧性较低，难以实现大规模生产和推广应用。

近来，美国科罗拉多大学的科研团队报道了一种高分子辐射制冷薄膜，通过将制冷微球颗粒(粒径约8微米)嵌入柔性高分子薄膜(TPX，PE或PMMA)内形成高分子-微球复合薄膜(厚度约50微米)，并直接在该复合薄膜表面镀银，实现辐射制冷，最终实现太阳直射条件下制冷功率约93W/m²。在公开号为CN108219172A的专利中，也公开了一种类似的高分子辐射制冷薄膜，不过其所用的反射层为铝膜层。以上高分子辐射制冷薄膜柔性较好，可适应不同曲率的表面，工艺简单，成本低廉，符合工业生产的技术要求，有广泛的运用场景。但是，由于微粒的粒径相对较大，易在复合薄膜上形成凹凸明显的粗糙表面，在这样的复合薄膜表面直接镀膜会影响镀膜的光学质量，降低对太阳辐射的反射率。此外，所采用的高分子基体材料皆为不可降解材料，易对环境造成负担。由于使用一次就被丢弃，重复利用率很低，会产生巨大的能源损耗和环境污染。人类对塑料垃圾处理主要方式是焚烧和填埋，燃烧会造成温室效应和空气污染，而掩埋和海洋填埋易对地球环境和生物造成伤害。据报道，一般塑料地表填埋后，要彻底降解需要500年左右，塑料污染不仅会对生态环境产生影响，而且对人类的危害也很大。日常使用的塑料吸管主要成分是合成树脂(PP、PE)等难降解材料，每年超过10万只动物因吞食废弃塑料而死亡，近年研究人员也在动物和人体内发现塑料颗粒的存在。我国也逐渐意识到不可降解塑料的危害，于2008年颁布了“限塑令”，之后在吉林省正式实施“禁塑令”，海南省于2019年年初公开向社会征求“禁止生产销售使用一次性不可降解塑料制品条例”相关意见，并将尽快健全实施相关法案。塑料制品在生产和废弃物处理过程中产生的问题亟待解决。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种辐射制冷薄膜，采用聚乳酸作为辐射制冷层基体材料，实现薄膜的可降解性。

聚乳酸是从植物中提取合成的环境友好型材料，使用任何废弃物处理方式都不会对环境造成污染，将使用过的聚乳酸直接掩埋于土壤中，经微生物处理可转化成植物所需的养分被吸收，降解时间只需要1～2年。聚乳酸发展前景广阔，具有很大的应用潜力，对环境的保护有重大意义。将聚乳酸树脂用于辐射制冷材料的基材，其困难之处在于刚性基材与刚性辐射制冷微粒的相容性较差，在界面处存在较大的散射而导致太阳辐射吸收较大。本实用新型通过添加适当的硅烷偶联剂以改善二者界面的相容性，从而降低薄膜的太阳辐射吸收率。

本实用新型中，辐射制冷层中微粒优选为二氧化硅，三氧化二铝，二氧化钛或碳化硅中的至少一种，尺寸为1-20微米，尺寸低于1微米，易造成薄膜红外辐射能力下降，尺寸高于20微米，易造成界面散射过大而导致薄膜吸收较多的太阳辐射能量。另外，微粒的比例也很重要，优选地，辐射制冷层中微粒占所述辐射制冷层的6wt％-18wt％。低于6wt％，易导致大气窗口的红外辐射能力不足，高于18wt％，易导致薄膜界面散射过大而造成薄膜的太阳吸收率过大。并且浓度过高，还会造成薄膜发脆。优选地，制冷微粒为二氧化硅和碳化硅混合，尺寸为1-18微米，二者的质量比为1:4至4:1，优选为2:3至3:2，采用二氧化硅和碳化硅混合的优势在于二者可以协同提升薄膜在8-13微米的红外发射率。

本实用新型中，辐射制冷层的厚度为40-75微米，制冷层厚度会影响薄膜的辐射制冷能力，该厚度低于40微米，薄膜的大气窗口红外发射率过低，厚度过高，将增加薄膜的太阳辐射吸收率和生产成本。

虽然可降解的材料品种很多，但是聚乳酸作为辐射制冷层基体材料具有不限于以下优点的多重优势：

1，聚乳酸薄膜具有优异的透明性，可与玻璃纸及PET相媲美，优于低密度聚乙烯薄膜10倍，与普通聚丙烯相比也高了2-3倍，因此可以提高辐射制冷薄膜产品的透光率，降低太阳吸收率；

2，极限氧指数较高(LOI＝24-29)，具有良好的阻燃性，燃烧时不释放有毒气体，因此可以使得辐射制冷薄膜产品本身具有一定的阻燃性，提高产品的安全性能；

3，聚乳酸具有优良的物理及力学性能，与PET和双向拉伸聚苯乙烯相似，优于普通的聚乙烯和聚丙烯，因此使得辐射制冷薄膜产品的力学性能得到提高，适用于强度要求较高的运用场合；

4，原料来源广泛，从甘薯、甜菜、玉米等都可获得聚乳酸的原材料乳酸，从而可以大幅压低可降解辐射制冷薄膜的生产成本。

本实用新型中，平滑层位于辐射制冷层和反射层之间，辐射制冷层靠近平滑层一侧的表面凹凸不平，平滑层与辐射制冷层紧密贴合，而平滑层靠近反射层一侧的表面平整光滑，从而使得反射层镀膜更加容易，镀膜更加平整、紧密，提升反射效果。优选地，平滑层采用聚乳酸树脂纯料，其与由聚乳酸树脂构成的辐射制冷层具有高度的相容性，两层膜贴合更紧密，对辐射制冷层表层的凹凸填补效果更佳。平滑层的厚度为5-15微米，厚度低于5微米，填补效果不佳，高于15微米，会加大对太阳辐射的吸收。

本实用新型还提供所述辐射制冷薄膜的制备方法，利用流延共挤工艺制得辐射制冷层和平滑层，利用真空蒸镀镀膜制得反射层。

最后，本实用新型还保护所述辐射制冷薄膜的用途，用于降低物体的温度，尤其是运用于降低以下物体的表面温度：建筑屋顶，运输车辆，室外电力输送线缆，自行车及两轮电动车座椅，基站，户外帐篷等。

具体方案如下：

一种可降解辐射制冷薄膜，所述可降解辐射制冷薄膜包括辐射制冷层和反射层，其中，所述辐射制冷层为聚乳酸树脂层，制冷微粒分散在所述聚乳酸树脂层中，所述反射层位于所述辐射制冷层的一侧。

进一步的，所述制冷微粒为二氧化硅，三氧化二铝，二氧化钛或碳化硅中的至少一种。

进一步的，所述制冷微粒的尺寸为1-20微米。

进一步的，所述制冷微粒的尺寸为2-18微米。

进一步的，所述可降解辐射制冷薄膜的厚度为50-80微米。

进一步的，所述辐射制冷层的厚度为40-75微米。

进一步的，所述反射层为金属反射层，厚度为0.04-0.15微米。

进一步的，所述反射层为镀铝反射层。

进一步的，还包括平滑层，所述平滑层位于所述辐射制冷层和所述反射层之间，所述平滑层为有机树脂层。

进一步的，所述平滑层的厚度为5-15微米。

有益效果：

本实用新型中，所述可降解辐射制冷薄膜以聚乳酸树脂构成的辐射制冷层的主体材料，使得产品具有降解性能，降解率为69％，是一种绿色环保材料。

优选地，所述可降解辐射制冷薄膜通过辐射制冷层、平滑层和反射层的配合，对300-2500纳米全波段的平均反射率R≥95％，8-13微米大气窗口波段红外发射率E≥93％，阳光直射下辐射冷却功率≥100W/m²。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。

图1是本实用新型一个实施例1提供的辐射制冷薄膜的结构示意图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本实用新型的优选实施方式。虽然以下描述了本实用新型的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在下面的实施例中，如未明确说明，“％”均指重量百分比。

以下使用的测试方法包括：

反射率：薄膜的太阳辐射反射率由Perkin ElmerLambda950型UV/Vis/NIRSpectrometer(紫外/可见/近红外分光光度计)测试。将薄膜放进分光光度计中，以1nm的步进，测试薄膜从300-2500纳米的平均反射率R。

红外发射率：薄膜的红外发射率由带积分球的布鲁克Vertex 70型光谱仪测试，将薄膜放入光谱仪中，以1nm的步进，测试薄膜从8-13微米的平均吸收率A，薄膜的红外发射率E即等于A。

辐射制冷功率的测定：在晴朗、风速小于1m/s、空气湿度小于30％和阳光直射的露天环境下，通过反馈控制的电加热器使环境和制冷薄膜表面保持温度差小于0.2℃，电加热器产生的热功率抵消了制冷薄膜的辐射冷却功率，当制冷薄膜与环境空气温度相同时，电加热功率就能精确反映制冷薄膜的冷却功率。测试正午11时-13时电加热器的平均加热功率P1，制冷薄膜的辐射冷却功率P即等于P1。

降解性能：降解性能通过对薄膜进行土壤掩埋实验所获得的降解率来表征。将样品薄膜裁成10cm X 10cm的样品，于35℃真空烘箱内干燥至恒重，称量记录样品的初始质量m1，将薄膜样品用单层纱布包好，埋入厦门地区的自然环境中深约20cm的土壤中，360天后取出样品，依次用自来水、75％(体积分数)的乙醇、蒸馏水冲洗掉样品表面，然后在35℃真空烘箱中干燥至恒重，记录降解后样品的质量m2，样品降解率＝[(m1-m2)/m1]*100％。

实施例1

参考图1，一种辐射制冷薄膜，由依次设置辐射制冷层1，平滑层2和反射层3构成，厚度依次为45微米，5微米，0.04微米。

其中，辐射制冷层1包括聚乳酸树脂基体11和分散于聚乳酸树脂基体11之中的微粒12，聚乳酸树脂基体11包括聚乳酸、偶联剂和光稳定剂，辐射制冷层1中各物质用量为：聚乳酸重量份为94份，微粒12的重量份为6份，偶联剂0.03份，光稳定剂0.15份。偶联剂为硅烷偶联剂KH560，光稳定剂为UV326。

微粒12为二氧化硅，尺寸为4±2微米。辐射制冷层1靠近平滑层2一侧的表面由于微粒12分散地存在，造成凹凸不平，通过共挤工艺，可使得平滑层2与辐射制冷层1紧密贴合，并且平滑层2靠近反射层3一侧的表面平整光滑，有利于反射层3平整致密地形成。反射层3为镀铝层。

实施例2

一种可降解辐射制冷薄膜，由依次设置辐射制冷层1和反射层3构成，厚度依次为60微米，0.05微米。

其中，辐射制冷层1为聚乳酸树脂层，其包括聚乳酸树脂基体11和分散于聚乳酸树脂基体11之中的微粒12，聚乳酸树脂基体11包括聚乳酸、偶联剂和光稳定剂，辐射制冷层1中各物质用量为：聚乳酸重量份为82份，微粒12的重量份为18份，偶联剂0.18份，光稳定剂0.1份。偶联剂为硅烷偶联剂KH550，光稳定剂为UV326、UV5050。微粒12为二氧化硅和碳化硅混合，尺寸为10±2微米，二者的质量比为3:2。反射层3为镀铝层。

实施例3

一种可降解辐射制冷薄膜，由依次设置辐射制冷层1和反射层3构成，厚度依次为50微米，0.15微米。

其中，辐射制冷层1为聚乳酸树脂层，其包括聚乳酸树脂基体11和分散于聚乳酸树脂基体11之中的微粒12，聚乳酸树脂基体11包括聚乳酸、偶联剂和光稳定剂，辐射制冷层1中各物质用量为：聚乳酸重量份为82份，微粒12的重量份为18份，偶联剂0.18份，光稳定剂0.1份。偶联剂为硅烷偶联剂KH550，光稳定剂为UV326、UV5050。微粒12为二氧化钛，尺寸为3±2微米。反射层3为镀铝层。

实施例4

一种可降解辐射制冷薄膜，由依次设置辐射制冷层1和反射层3构成，厚度依次为70微米，0.1微米。

其中，辐射制冷层1为聚乳酸树脂层，其包括聚乳酸树脂基体11和分散于聚乳酸树脂基体11之中的微粒12，聚乳酸树脂基体11包括聚乳酸、偶联剂和光稳定剂，辐射制冷层1中各物质用量为：聚乳酸重量份为82份，微粒12的重量份为18份，偶联剂0.18份，光稳定剂0.1份。偶联剂为硅烷偶联剂KH550，光稳定剂为UV326、UV5050。微粒12为三氧化铝，尺寸为5±2微米。反射层3为镀铝层。

实施例5

一种可降解辐射制冷薄膜，由依次设置辐射制冷层1和反射层3构成，厚度依次为75微米，0.08微米。

其中，辐射制冷层1为聚乳酸树脂层，其包括聚乳酸树脂基体11和分散于聚乳酸树脂基体11之中的微粒12，聚乳酸树脂基体11包括聚乳酸、偶联剂和光稳定剂，辐射制冷层1中各物质用量为：聚乳酸重量份为82份，微粒12的重量份为18份，偶联剂0.18份，光稳定剂0.1份。偶联剂为硅烷偶联剂KH550，光稳定剂为UV326、UV5050。微粒12为二氧化硅和碳化硅混合，尺寸为16±2微米，二者的质量比为3:2。反射层3为镀铝层。

实施例6

制备辐射制冷薄膜，包括以下步骤：

A，制冷微粒表面处理：称取二氧化硅和碳化硅微粒，尺寸为8±2微米，二者的质量比为2:3，将二者按比例混合，不断搅拌，并在搅拌过程中加入含量为制冷微粒重量的1％的偶联剂，搅拌时间为15分钟，搅拌后待用；

B，聚乳酸干燥：将聚乳酸放置在60度的温度下干燥6小时，备用；

上述步骤A和B可以同时进行或顺序调换；

C，混合：将聚乳酸加热至60℃，在搅拌状态下依次将光稳定剂和步骤A制得的混合物料加入，并继续搅拌30分钟，测试水分含量低于0.1wt％时，出料；其中，聚乳酸重量份为85份，微粒12的重量份为15份，偶联剂0.15份，光稳定剂0.3份。偶联剂为硅烷偶联剂KH570，光稳定剂为UV-P；

D，挤出造粒：将步骤C得到的混合物加入双螺杆挤出机，挤出机温度设定在200-210℃之间，螺杆转速为300rpm，经水冷、切粒和干燥得到流延母粒；

E，共挤流延成膜：将步骤D得到的流延母粒作为a料；另取聚乳酸树脂纯料作为b料，将a料和b料分别投入流延共挤设备的两个料斗中，通过流延共挤工艺制得相互贴合的辐射制冷层和平滑层；其中，辐射制冷层厚度为65微米，聚乳酸树脂平滑层厚度为8微米；

F，在所述平滑层表面通过真空镀膜制得反射层镀铝层，按照常规真空蒸镀镀膜工艺进行，厚度为0.04微米。

实施例7

一种可降解辐射制冷薄膜，由依次设置辐射制冷层1，平滑层2和反射层3构成，厚度依次为45微米，15微米，0.1微米。

其中，辐射制冷层1为聚乳酸树脂层，聚乳酸树脂层包括聚乳酸树脂基体11和分散于聚乳酸树脂基体11之中的微粒12，聚乳酸树脂基体11包括聚乳酸、偶联剂和光稳定剂，辐射制冷层1中各物质用量为：聚乳酸重量份为94份，微粒12的重量份为6份，偶联剂0.03份，光稳定剂0.15份。偶联剂为硅烷偶联剂KH560，光稳定剂为UV326。

微粒12为三氧化二铝，尺寸为12±2微米。辐射制冷层1靠近平滑层2一侧的表面由于微粒12分散地存在，造成凹凸不平，通过共挤工艺，可使得平滑层2与辐射制冷层1紧密贴合，并且平滑层2靠近反射层3一侧的表面平整光滑，有利于反射层3的形成。平滑层2为有机树脂层，反射层3为镀铝层。

实施例8

一种可降解辐射制冷薄膜，由依次设置辐射制冷层1，平滑层2和反射层3构成，厚度依次为55微米，10微米，0.06微米。

微粒12为二氧化钛，尺寸为4±2微米。辐射制冷层1靠近平滑层2一侧的表面由于微粒12分散地存在，造成凹凸不平，通过共挤工艺，可使得平滑层2与辐射制冷层1紧密贴合，并且平滑层2靠近反射层3一侧的表面平整光滑，有利于反射层3的形成。平滑层2为有机树脂层，反射层3为镀铝层。

性能测试

对实施例6以及市售厚度60微米的PE基材辐射制冷膜分别进行测试，其结果见表1。

表1性能检测结果表

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims

1.一种可降解辐射制冷薄膜，其特征在于：所述可降解辐射制冷薄膜包括辐射制冷层和反射层，其中，所述辐射制冷层为聚乳酸树脂层，制冷微粒分散在所述聚乳酸树脂层中，所述反射层位于所述辐射制冷层的一侧。

2.根据权利要求1所述的可降解辐射制冷薄膜，其特征在于：所述制冷微粒为二氧化硅，三氧化二铝，二氧化钛或碳化硅中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的可降解辐射制冷薄膜，其特征在于：所述制冷微粒的尺寸为1-20微米。

4.根据权利要求3所述的可降解辐射制冷薄膜，其特征在于：所述制冷微粒的尺寸为2-18微米。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的可降解辐射制冷薄膜，其特征在于：所述可降解辐射制冷薄膜的厚度为50-80微米。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的可降解辐射制冷薄膜，其特征在于：所述辐射制冷层的厚度为40-75微米。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的可降解辐射制冷薄膜，其特征在于：所述反射层为金属反射层，厚度为0.04-0.15微米。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的可降解辐射制冷薄膜，其特征在于：所述反射层为镀铝反射层。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的可降解辐射制冷薄膜，其特征在于：还包括平滑层，所述平滑层位于所述辐射制冷层和所述反射层之间，所述平滑层为有机树脂层。

10.根据权利要求9所述的可降解辐射制冷薄膜，其特征在于：所述平滑层的厚度为5-15微米。