CN113954453A - 一种彩色双层辐射制冷膜及其制备方法 - Google Patents

一种彩色双层辐射制冷膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种彩色双层辐射制冷膜及其制备方法，所述彩色双层辐射制冷膜包括层叠贴合的辐射制冷底层和彩色层，所述辐射制冷底层包括SiO2微球、增稠剂和粘接剂；所述彩色层包括Au‑Ag纳米微球、增稠剂和粘接剂，通过将辐射制冷底层和彩色层通过粘结剂层叠贴合粘连即可。本发明的彩色双层辐射制冷膜仅对特定可见光波段(0.4‑0.74μm)产生强吸收，其他波段具有较高的反射率，且中红外发射率较高，可以达到优异的日间制冷效果。

Description

一种彩色双层辐射制冷膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及被动辐射制冷材料技术领域，具体涉及一种彩色双层辐射制冷膜及其制备方法。
背景技术
由于全球变暖，用于冷却的能源需求急剧增加。然而，目前普遍使用的压缩式冷却***会消耗大量电力并产生大量气体，进而导致各种环境问题，例如，城市热岛效应和热污染。因此，研究开发低能耗的替代冷却技术变得急迫。
不同于传统制冷技术将热量传递到周围环境，辐射制冷技术通过就是热辐射方式将多余的热量传递到外太空，制冷过程中，不会产生任何能耗和污染。目前辐射制冷技术作为一种“零能耗，零污染”的制冷技术正在获得研究者的不断关注。日间，太阳的热辐射可以达到1000W/m2，因此为了实现高效的辐射制冷，制冷涂层需要在太阳光谱(0.3-2.5μm)范围上具有较高的反射率，以避免对太阳辐射的吸收，同时，在大气窗口(8-13μm)具有较大的发射率，以增强涂层表面对太空的辐射散热。然而，大部分的辐射制冷膜往往呈现白色，由于审美以及对眼睛的伤害，大大限制了辐射制冷膜的实际应用。
彩色辐射制冷膜通过在可见光谱(0.4-0.74μm)中选择性吸收太阳光来实现所需的颜色，这将增加太阳能的吸收。但通过在近红外区(0.74-2.5μm)中保持高太阳反射率，并在大气窗口(8-13μm)保持高红外发射率也可以实现较好的日间辐射制冷效果。等离激元纳米结构在彩色PDRC涂层中显示出巨大的潜力，因为它们在共振波长下具有固有的窄且强吸收能力，通过结构设计可产生所需的结构色，如硅纳米结构(E.Blandre,R.A.
Figure BDA0003396287920000011
K.Joulain,and J.Drévillon,“Microstructured surfaces for colored and non-colored sky radiative cooling,”Opt.Express,vol.28,no.20,p.29703,2020,doi:10.1364/oe.401368.)、等离子Ag-SiO2核壳纳米粒子(R.A.
Figure BDA0003396287920000012
E.Blandre,K.Joulain,and J.Drévillon,“Colored Radiative Cooling Coatings with Nanoparticles,”ACSPhotonics,vol.7,no.5,pp.1312–1322,2020,doi:10.1021/acsphotonics.0c00513.)。然而，这些纳米结构或核壳球体的制备过程昂贵或复杂，所以大多数这些工作都是通过数值模拟方式进行的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种彩色双层辐射制冷膜及其制备方法，该彩色双层辐射制冷膜仅对特定可见光波段(0.4-0.74μm)产生强吸收，其他波段具有较高的反射率，且中红外发射率较高，可以达到优异的日间制冷效果。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种彩色双层辐射制冷膜，包括层叠贴合的辐射制冷底层和彩色层，所述辐射制冷底层包括SiO2微球、增稠剂和粘接剂；所述彩色层包括Au-Ag纳米微球、增稠剂和粘接剂。
需要说明的是，本发明中的Au-Ag纳米颗粒定义为Au纳米颗粒(即Au/Ag＝10/0)、Ag纳米颗粒(即Au/Ag＝0/10)、Au-Ag合金纳米颗粒中的一种。
作为优选，所述辐射制冷底层的厚度为300～500μm。
作为优选，所述SiO2微球的粒径(半径r)为0.4～0.5μm。本发明中，粒径的调控是实现涂层高反射率的关键，如图1所示，粒径过大或过小都会降低涂层的太阳反射率。
作为优选，所述彩色层的厚度为8～13μm。
作为优选，所述增稠剂为纤维素钠、羧甲基淀粉钠、羟丙基淀粉、乙基淀粉、糊精或环状糊精；粘接剂为丁苯橡胶、虫胶或环氧树脂。
本发明还提供了上述彩色双层辐射制冷膜的制备方法，将辐射制冷底层和彩色层通过粘结剂层叠贴合粘连即可。
作为优选，所述辐射制冷底层的具体制备过程为：先采用Stober法制得SiO2微球；然后将SiO2微球、增稠剂溶液和粘结剂溶液混合均匀形成白色浆液；最后涂膜和干燥，得到辐射制冷底层。
作为优选，所述彩色层的具体制备过程为：先将HAuCl4溶液和/或AgNO3与柠檬酸钠溶液混合反应使得HAuCl4和/或AgNO3完全还原，得到Au和/或Ag纳米颗粒彩色溶液；再将Au-Ag纳米颗粒彩色溶液、增稠剂溶液和粘结剂溶液混合均匀形成彩色浆液；最后涂膜和干燥，得到彩色层。
如图4所示，发明人发现，Au-Ag纳米颗粒在太阳光谱具有窄而强的吸收功率，其作为彩色层，通过调控两者的配比，可以在实现不同颜色的同时，尽可能地避免对太阳光的吸收。
发明人进一步发现，如图2所示，由于SiO2微球与Au-Ag纳米颗粒之间的相互作用，如果直接将含Au-Ag纳米颗粒的彩色浆液和含SiO2微球的白色浆料混合在一起，制成彩色涂层的太阳反射率仅能达到0.75；若将含Au-Ag纳米颗粒的彩色浆料涂在干燥成型的辐射制冷底层上，彩色浆料会填充SiO2微球间的孔隙，导致涂层的反射率仅能达到0.61。而本发明将分别干燥成型的辐射制冷底层和彩色层直接进行粘连而成的彩色涂层的反射率仍可以高达0.88。
本发明的优势在于：
本发明通过将优化过粒径的0.4～0.5μm的SiO2微球堆叠来制造白色的日间辐射制冷膜，并通过在干燥成型的白色SiO2微球膜顶部通过直接粘连的方式引入干燥成型的等离激元Au-Ag纳米颗粒膜进一步实现彩色制冷膜。本发明的彩色双层辐射制冷膜，其彩色层在可见光(0.4-0.74μm)范围具有选择性窄吸收光谱，辐射制冷底层可以最大限度地反射由彩色层透过的太阳光。因此，彩色双层辐射制冷膜在881W/m2的太阳强度下，如图5所示，薰衣草色和黄色涂层的最高冷却温度分别可以达到7.5℃和5.1℃。通过调节Au和Ag的不同配比，可以进一步获得不同色彩的辐射制冷膜。
附图说明
图1为对比例1由不同粒径SiO2微球颗粒制成辐射制冷底层的光谱图；
图2为对比例1制得的白色膜(白色涂层)、实施例1制得的彩色膜(双层涂层)、对比例2制得的混合涂层、对比例3制得的复合涂层的对比图；
图3为对比例1制得的白色膜和实施例1制得的彩色膜的电镜图和照片；
图4为对比例1制得的白色膜和实施例1-4制得的彩色膜的光谱图；
图5为实施例1-2制得的彩色膜的室外散热性能结果图。
具体实施方式
对比例1
(1)将2g纤维素钠加入75g去离子水中，在80℃的加热台上搅拌2小时，使纤维素钠完全溶于去离子水中，得到增稠剂溶液；
(2)使用Stober法制造不同粒径(半径r＝0.2μm，0.3μm，0.4μm，0.9μm)的SiO2微球：首先将100mL乙醇、30mL去离子水和10mL氨水依次加入烧瓶，并用500rmp的速率搅拌，之后将50mL的硅酸四乙酯均匀加入烧瓶中，并在30℃下反应6小时，之后通过离心得到SiO2微球；
(3)将6g SiO2微球与14g增稠剂溶液以及2g丁苯橡胶溶液混合均匀形成白色浆液，按照300μm的厚度(t)涂膜，干燥后得到辐射制冷底层(白色膜或白色涂层)。
实施例1
采用对比例1中的方法制得的辐射制冷底层，其中SiO2微球粒径为0.4μm；
(1)将5mlHAuCl4水溶液(10mM)和100mL柠檬酸钠水溶液(5mM)加入烧瓶中，混合均匀并在100℃下反应30分钟完全还原HAuCl4，得到彩色溶液；
(2)将2g纤维素钠溶于75g彩色水溶液中，得到彩色增稠剂，再加入1g丁苯橡胶溶液，搅拌均匀，得到彩色浆液，最后按照10μm的厚度涂膜干燥，得到彩色层；
(3)将彩色层和辐射制冷底层用丁苯橡胶黏在一起，得到薰衣草色辐射制冷膜(彩色膜)。
实施例2
采用对比例1中的方法制得的辐射制冷底层，其中SiO2微球粒径为0.4μm；
(1)将2.5mlAgNO3水溶液(10mM)和100mL柠檬酸钠水溶液(5mM)加入烧瓶中，混合均匀并在100℃下反应2小时完全还原AgNO3，得到彩色溶液；
(2)将2g纤维素钠溶于75g彩色水溶液中，得到彩色增稠剂，再加入1g丁苯橡胶溶液，搅拌均匀，得到彩色浆液，最后按照10μm的厚度涂膜干燥，得到彩色层；
(3)将彩色层和辐射制冷底层用丁苯橡胶黏在一起，得到黄色辐射制冷膜(彩色膜)。
实施例3
采用对比例1中的方法制得的辐射制冷底层，其中SiO2微球粒径为0.4μm；
(1)将1.75mlHAuCl4水溶液(10mM)、0.75mlAgNO3水溶液(10mM)和100mL柠檬酸钠水溶液(5mM)加入烧瓶中，混合均匀并在100℃下反应2小时完全还原HAuCl4和AgNO3，得到彩色溶液；
(2)将2g纤维素钠溶于75g彩色水溶液中，得到彩色增稠剂，再加入1g丁苯橡胶溶液，搅拌均匀，得到彩色浆液，最后按照10μm的厚度涂膜干燥，得到彩色层；
(3)将彩色层和辐射制冷底层用丁苯橡胶黏在一起，得到彩色双层辐射制冷膜(彩色膜)。
实施例4
采用对比例1中的方法制得的辐射制冷底层，其中SiO2微球粒径为0.4μm；
(1)将2.25mlHAuCl4水溶液(10mM)、0.25mlAgNO3水溶液(10mM)和100mL柠檬酸钠水溶液(5mM)加入烧瓶中，混合均匀并在100℃下反应2小时完全还原HAuCl4和AgNO3，得到彩色溶液；
(2)将2g纤维素钠溶于75g彩色水溶液中，得到彩色增稠剂，再加入1g丁苯橡胶溶液，搅拌均匀，得到彩色浆液，最后按照10μm的厚度涂膜干燥，得到彩色层；
(3)将彩色层和辐射制冷底层用丁苯橡胶黏在一起，得到彩色双层辐射制冷膜(彩色膜)。
对比例2
采用对比例1中的方法得到白色浆液(其中SiO2微球粒径为0.4μm)，同时采用实施例1的方法得到彩色浆液，然后直接将彩色浆液和白色浆液混合在一起，制成混合涂层，如图2所示，其太阳反射率仅能达到0.75。
对比例3
采用对比例1中的方法得到辐射制冷底层(其中SiO2微球粒径为0.4μm)，同时采用实施例1的方法得到彩色浆液，然后将彩色浆液涂在干燥成型的辐射制冷底层上，制成复合涂层，彩色浆液会填充SiO2微球间的孔隙，如图2所示，其太阳反射率仅能达到0.61。

Claims (8)

1.一种彩色双层辐射制冷膜，其特征在于：所述彩色双层辐射制冷膜包括层叠贴合的辐射制冷底层和彩色层，所述辐射制冷底层包括SiO2微球、增稠剂和粘接剂；所述彩色层包括Au-Ag纳米微球、增稠剂和粘接剂。
2.根据权利要求1所述的彩色双层辐射制冷膜，其特征在于：所述辐射制冷底层的厚度为300～500μm。
3.根据权利要求1所述的彩色双层辐射制冷膜，其特征在于：所述SiO2微球的半径为0.4～0.5μm。
4.根据权利要求1所述的彩色双层辐射制冷膜，其特征在于：所述彩色层的厚度为8～13μm。
5.根据权利要求1所述的彩色双层辐射制冷膜，其特征在于：所述增稠剂为纤维素钠、羧甲基淀粉钠、羟丙基淀粉、乙基淀粉、糊精或环状糊精；粘接剂为丁苯橡胶、虫胶或环氧树脂。
6.权利要求1-5任一项所述的彩色双层辐射制冷膜的制备方法，其特征在于：将辐射制冷底层和彩色层通过粘结剂层叠贴合粘连即可。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述辐射制冷底层的具体制备过程为：先采用Stober法制得SiO2微球；然后将SiO2微球、增稠剂溶液和粘结剂溶液混合均匀形成白色浆液；最后涂膜和干燥，得到辐射制冷底层。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述彩色层的具体制备过程为：先将HAuCl4溶液和/或AgNO3与柠檬酸钠溶液混合反应使得HAuCl4和/或AgNO3完全还原，得到Au-Ag纳米颗粒彩色溶液；再将Au-Ag纳米颗粒彩色溶液、增稠剂溶液和粘结剂溶液混合均匀形成彩色浆液；最后涂膜和干燥，得到彩色层。
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