CN113234367B - 一种彩色辐射制冷薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种彩色辐射制冷薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种彩色辐射制冷薄膜及其制备方法。本发明的彩色辐射制冷薄膜的组成包括层叠贴合的辐射制冷膜层和结构色形成层，辐射制冷膜层的组成成分包括聚丙烯酸酯/水性聚偏氟乙烯树脂、无机填料和助剂，结构色形成层为自组装聚苯乙烯微球层，组成成分包括聚苯乙烯微球和聚丙烯酸酯/水性聚偏氟乙烯树脂。本发明的彩色辐射制冷薄膜的制备方法包括以下步骤：1)聚苯乙烯微球的制备；2)辐射制冷膜层的制备；3)结构色形成层的制备。本发明的彩色辐射制冷薄膜具有靓丽的结构色，不会对可见光产生吸收，太阳光反射率高，中红外发射率高，兼具制冷效果和美学特性，且制备过程简单，不需要精密仪器的控制，成本低廉。

Description

一种彩色辐射制冷薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及被动辐射制冷材料技术领域，具体涉及一种彩色辐射制冷薄膜及其制备方法。
背景技术
在城市热岛效应和全球变暖大背景叠加下，夏季温度居高不下，以空调为代表的主动式制冷方式需求不断增长，不仅会消耗大量的能源，而且产生的温室气体会进一步加剧全球变暖，造成恶性循环。
辐射制冷是一种被动制冷方式，是将背景温度为3K的宇宙作为自然散热器，通过透射率高的大气窗口(3μm～5μm、8μm～13μm)将地表热量辐射进入外太空，无需能耗便可以实现降温。日常生活中绝大部分的能量来自于太阳，因此，要想实现好的制冷效果，就需要材料兼具高辐射性能和高太阳光反射率，将绝大部分太阳光从材料表面反射出去，反射与辐射性能相叠加，从而实现良好的制冷效果。太阳光中约45％的太阳能量集中在可见光波段(0.4μm～0.76μm)，约52％的太阳能量集中在近红外波段(0.76μm～2.5μm)，因此，绝大部分辐射制冷材料往往呈现白色以提高可见光波段的反射率，提升制冷效果。然而，颜色单一的辐射制冷材料在实际应用时受到了很大限制，为了改善辐射制冷材料的美学特性，需要对材料进行着色。
目前，主要是通过添加颜料的方式对辐射制冷材料进行着色来获得彩色效果，但颜料会吸收波长300nm～700nm范围内的光，产生发热，最终会导致辐射制冷材料的冷却性能下降，例如：将氧化铬颜料粒子嵌入高密度聚乙烯中可以制备得到无机-聚合物辐射制冷人造草坪，有机介质提供辐射性能，氧化铬颜料粒子使其呈现绿色，但由于氧化铬颜料粒子对太阳光的吸收会导致辐射制冷人造草坪在可见光范围的反射率不到50％，抑制了制冷效果(Zhangbin Yang,Tiankai Jiang,Jun Zhang.Passive daytime radiative coolinginorganic-polymeric composite artificial lawn for the alternative to thenatural lawn[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,219)。此外，也有研究人员将3D光栅结构(Zhu L,Raman A,Fan S.Color-preserving daytime radiative cooling[J].Applied Physics Letters,2013,103(22):223902)和金属-绝缘体-金属结构(Wei,Shi,Zhen,et al.Photonic thermal management of coloured objects.[J].Naturecommunications,2018.)应用于辐射制冷材料，这些复杂的结构需要多层薄膜的精确计算与设计，也需要精密的仪器，制备过程复杂，且成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种彩色辐射制冷薄膜及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种彩色辐射制冷薄膜，其组成包括层叠贴合的辐射制冷膜层和结构色形成层；所述辐射制冷膜层的组成成分包括聚丙烯酸酯/水性聚偏氟乙烯树脂、无机填料和助剂；所述结构色形成层为自组装聚苯乙烯微球层，组成成分包括聚苯乙烯微球和聚丙烯酸酯/水性聚偏氟乙烯树脂。
优选的，所述辐射制冷膜层的厚度为50μm～150μm。
优选的，所述结构色形成层的厚度为2μm～20μm。
优选的，所述聚苯乙烯微球的直径为167nm～336nm。
优选的，所述无机填料为二氧化钛、二氧化硅、碳酸钙、磷酸铝、磷酸氢镁中的至少一种。
上述彩色辐射制冷薄膜的制备方法包括以下步骤：
1)将苯乙烯和乳化剂加水混合，进行乳化，再加入引发剂，进行聚合，得到聚苯乙烯微球；
2)将聚丙烯酸酯乳液或水性聚偏氟乙烯树脂、无机填料和助剂混合，进行球磨，制成浆料，再涂膜和干燥，得到辐射制冷膜层；
3)将聚苯乙烯微球加水分散，再加入聚丙烯酸酯乳液或水性聚偏氟乙烯树脂，制成聚苯乙烯微球分散液，再涂覆在辐射制冷膜层上，进行重力沉降自组装，干燥，即得彩色辐射制冷薄膜。
优选的，步骤1)所述乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烯丙氧基羟丙基磺酸钠中的至少一种。
优选的，步骤1)所述乳化剂的用量为苯乙烯质量的0.2％～1％。
优选的，步骤1)所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的至少一种。
优选的，步骤1)所述引发剂的用量为苯乙烯质量的0.5％～2％。
优选的，步骤1)所述聚合在70℃～90℃下进行，反应时间为4h～8h。
优选的，步骤2)所述聚丙烯酸酯乳液、无机填料的质量比为2:1～2:5。
优选的，步骤2)所述水性聚偏氟乙烯树脂、无机填料的质量比为2:1～2:5。
优选的，步骤2)所述助剂的用量为浆料质量的8％～12％。
优选的，步骤2)所述助剂由分散剂、消泡剂、流平剂和成膜剂按照质量比5:1～2:1～2:3组成。
优选的，步骤3)所述聚丙烯酸酯乳液的用量为聚苯乙烯微球质量的50％～300％。
优选的，步骤3)所述水性聚偏氟乙烯树脂的用量为聚苯乙烯微球质量的50％～300％。
优选的，步骤3)所述聚苯乙烯微球分散液在辐射制冷膜层上的涂覆量为3L/m2～15L/m2。
本发明的有益效果是：本发明的彩色辐射制冷薄膜能够通过周期性的三维光子晶体结构对入射光发生干涉和衍射等物理作用，产生靓丽的结构色，不会对可见光产生吸收，太阳光反射率高，中红外发射率高，兼具制冷效果和美学特性，且制备过程简单，不需要精密仪器的控制，成本低廉。
具体来说：
1)本发明的彩色辐射制冷薄膜通过具有周期性微纳尺寸结构的光子晶体对入射光进行干涉和衍射等物理相互作用，不会吸收可见光，具有较高的太阳光反射率，在实际应用中满足更多需求的美学特性，且颜色调控简单，无需精密仪器控制，成本低廉；
2)本发明的彩色辐射制冷薄膜可以根据辐射制冷膜层的组分加入一定比例的聚丙烯酸酯乳液或水性聚偏氟乙烯树脂来调整三维光子晶体结构的组分，使彩色辐射制冷薄膜的稳定性更好，特殊的三维光子晶体结构与辐射制冷膜层界面能产生良好的附着力，结构不易被破坏，颜色更持久；
3)本发明的彩色辐射制冷薄膜在中红外波段具有强烈吸收，即使使用低发射率的二氧化钛填料也能够制备出高发射率、高反射率的彩色辐射制冷薄膜；
4)本发明的彩色辐射制冷薄膜的太阳光反射率达99.86％，大气窗口(8μm～13μm)的发射率达0.90％。
附图说明
图1为实施例1中的聚苯乙烯微球的SEM图。
图2为实施例1的彩色辐射制冷薄膜的SEM图。
图3为实施例1～3的彩色辐射制冷薄膜的反射率对比图。
图4为实施例1～3的彩色辐射制冷薄膜的发射率对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种彩色辐射制冷薄膜，其制备方法包括以下步骤：
1)将12g的苯乙烯和0.03g的十二烷基硫酸钠加入130mL的去离子水中，并置于氮气气氛中，调节搅拌转速至200rpm，搅拌1h，再加入0.1g的过硫酸铵，升温至70℃反应4h，离心，得到聚苯乙烯微球；
2)将20g固含量50％的聚丙烯酸酯乳液、10g的二氧化钛、1.5g的分散剂BYK-2015、0.3g的消泡剂Tego-810、0.3g的流平剂BYK-348和0.9g的成膜剂醇酯十二混合，再加入氧化锆球磨珠，进行球磨，制成浆料，再以铝箔为基底进行涂膜，膜厚50μm，30℃干燥，得到辐射制冷膜层；
3)将1g的聚苯乙烯微球加入9mL的去离子水中，再加入3.3g固含量10％的聚丙烯酸酯乳液，制成聚苯乙烯微球分散液，再滴涂在辐射制冷膜层上，涂覆量为3L/m2，进行重力沉降自组装，30℃干燥，即得彩色辐射制冷薄膜。
本实施例步骤1)中的聚苯乙烯微球的SEM图如图1所示，本实施例制备的彩色辐射制冷薄膜的SEM图如图2所示。
由图1可知：聚苯乙烯微球粒径均一，粒径为285nm～294nm。
由图2可知：彩色辐射制冷薄膜表面形成规则的三维光子晶体结构，能对特定区域可见光产生干涉和衍射的相互作用，形成鲜艳的颜色。
实施例2：
一种彩色辐射制冷薄膜，其制备方法包括以下步骤：
1)将15g的苯乙烯和0.05g的十二烷基硫酸钠加入130mL的去离子水中，并置于氮气气氛中，调节搅拌转速至350rpm，搅拌1h，再加入0.15g的过硫酸铵，升温至80℃反应6h，离心，得到聚苯乙烯微球；
2)将10g固含量50％的水性聚偏氟乙烯树脂、15g的碳酸钙、1.25g的分散剂BYK-2015、0.5g的消泡剂Tego-810、0.25g的流平剂BYK-348和0.75g的成膜剂醇酯十二混合，再加入氧化锆球磨珠，进行球磨，制成浆料，再以铝箔为基底进行涂膜，膜厚100μm，45℃干燥，得到辐射制冷膜层；
3)将3g的聚苯乙烯微球加入7mL的去离子水中，再加入0.7g固含量10％的水性聚偏氟乙烯树脂，制成聚苯乙烯微球分散液，再滴涂在辐射制冷膜层上，涂覆量为9L/m2，进行重力沉降自组装，50℃干燥，即得彩色辐射制冷薄膜。
实施例3：
一种彩色辐射制冷薄膜，其制备方法包括以下步骤：
1)将18g的苯乙烯和0.07g的十二烷基硫酸钠加入130mL的去离子水中，并置于氮气气氛中，调节搅拌转速至500rpm，搅拌1h，再加入0.22g的过硫酸铵，升温至80℃反应8h，离心，得到聚苯乙烯微球；
2)将8g固含量50％的水性聚偏氟乙烯树脂、20g的亚磷酸镁、1.4g的分散剂BYK-2015、0.28g的消泡剂Tego-810、0.28g的流平剂BYK-348和0.84g的成膜剂醇酯十二混合，再加入氧化锆球磨珠，进行球磨，制成浆料，再以铝箔为基底进行涂膜，膜厚150μm，60℃干燥，得到辐射制冷膜层；
3)将5g的聚苯乙烯微球加入5mL的去离子水中，再加入0.5g固含量10％的水性聚偏氟乙烯树脂，制成聚苯乙烯微球分散液，再滴涂在辐射制冷膜层上，涂覆量为15L/m2，进行重力沉降自组装，70℃干燥，即得彩色辐射制冷薄膜。
性能测试：
实施例1～3的彩色辐射制冷薄膜的反射率对比图如图3所示，发射率对比图如图4所示，反射率和发射率数据如下表所示：
表1彩色辐射制冷薄膜的反射率和发射率数据
Figure BDA0003011864380000051
由图3和表1可知：实施例1～3的彩色辐射制冷薄膜均有一个500nm左右的波峰，这是由于三维光子晶体结构对部分可见光产生的干涉作用，对应于蓝绿色，并且可见光波段依旧保持较高的反射率，实施例1的彩色辐射制冷薄膜可见光波段反射率高达99.86％，太阳光谱波段反射率高达97.44％，实施例2的彩色辐射制冷薄膜可见光波段反射率高达99.79％，太阳光谱波段反射率高达96.45％，实施例3的彩色辐射制冷薄膜可见光波段反射率高达98.53％，太阳光谱波段反射率高达94.90％；可见，由于太阳光谱的能量在可见光波段约占45％，在近红外波段能量约占52％，因此，本发明的彩色辐射制冷薄膜可以将绝大部分太阳光反射出去，降低材料表面温度。
由图4和表1可知：实施例1的彩色辐射制冷薄膜在大气窗口8μm～13μm波段的发射率为0.90，实施例2的彩色辐射制冷薄膜在大气窗口8μm～13μm波段的发射率为0.89，实施例3的彩色辐射制冷薄膜在大气窗口8μm～13μm波段的发射率为0.91，能够实现良好的辐射制冷效果。
综上可知：本发明的彩色辐射制冷薄膜通过具有周期性微纳尺寸结构的光子晶体对入射光进行干涉和衍射等物理相互作用产生靓丽的颜色，不会对可见光造成吸收，从而保证了彩色辐射制冷薄膜优异的高反射性能，实现更好的制冷效果，同时，这些靓丽的颜色能够提高视觉吸引，满足美学特性，为辐射制冷材料的应用提供更多的可能性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种彩色辐射制冷薄膜，其特征在于：所述彩色辐射制冷薄膜的组成包括层叠贴合的辐射制冷膜层和结构色形成层；所述辐射制冷膜层的组成成分包括聚丙烯酸酯/水性聚偏氟乙烯树脂、无机填料和助剂；所述结构色形成层为自组装聚苯乙烯微球层，组成成分为聚苯乙烯微球和聚丙烯酸酯/水性聚偏氟乙烯树脂；所述结构色形成层的厚度为2μm～20μm；所述聚苯乙烯微球的直径为167nm～336nm。
2.根据权利要求1所述的彩色辐射制冷薄膜，其特征在于：所述辐射制冷膜层的厚度为50μm～150μm。
3.根据权利要求1或2所述的彩色辐射制冷薄膜，其特征在于：所述无机填料为二氧化钛、二氧化硅、碳酸钙、磷酸铝、磷酸氢镁中的至少一种。
4.权利要求1～3中任意一项所述的彩色辐射制冷薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1) 将苯乙烯和乳化剂加水混合，进行乳化，再加入引发剂，进行聚合，得到聚苯乙烯微球；
2) 将聚丙烯酸酯乳液或水性聚偏氟乙烯树脂、无机填料和助剂混合，进行球磨，制成浆料，再涂膜和干燥，得到辐射制冷膜层；
3) 将聚苯乙烯微球加水分散，再加入聚丙烯酸酯乳液或水性聚偏氟乙烯树脂，制成聚苯乙烯微球分散液，再涂覆在辐射制冷膜层上，进行重力沉降自组装，干燥，即得彩色辐射制冷薄膜。
5.根据权利要求4所述的彩色辐射制冷薄膜的制备方法，其特征在于：步骤1）所述乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烯丙氧基羟丙基磺酸钠中的至少一种。
6.根据权利要求4或5所述的彩色辐射制冷薄膜的制备方法，其特征在于：步骤1）所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的至少一种。
7.根据权利要求4或5所述的彩色辐射制冷薄膜的制备方法，其特征在于：步骤1）所述聚合在70℃～90℃下进行，反应时间为4h～8h。
8.根据权利要求4或5所述的彩色辐射制冷薄膜的制备方法，其特征在于：步骤2）所述助剂由分散剂、消泡剂、流平剂和成膜剂按照质量比5:1～2:1～2:3组成。
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