CN113999585A - 一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种热致变色辐射制冷涂料，涂料的制备原料包括如下重量份数的组分：温敏性树脂50～150份；成膜剂5～10份；分散剂0.1～5份；消泡剂0.1～4份；增稠剂0.1～4份；辐射剂4‑7份；反射剂1‑7份；溶剂100～500份。本发明热致变色辐射制冷薄膜的变色机理为温控型变色，变色温度范围在自然环境温度范围内，当环境温度较高时，薄膜颜色为白色，增强太阳辐射反射；当环境温度较低时，薄膜颜色变透明，降低薄膜辐射制冷能力；从而达到全年四季为建筑物节约能源，保持室内舒适温度、减少空调及取暖设备使用，减少碳排放的作用。此外通过简单的配方调整，能够调整其热致变色的温度；薄膜变色灵敏，温敏性强，变色迅速；原料成本低，制备方法简单，能够广泛应用于建筑、汽车等行业。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合薄膜领域，具体涉及一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法。
背景技术
随着全球经济、人口等不断增长，工业化和城市化进程的快速推进，世界能源消耗与日俱增。据调查，在发达国家，高达能源消耗总量的40％被用于建筑能源消耗，而中国的这项建筑能源消耗占比也高达三分之一。据美国能源信息署预测，到2040年中国将成为最大的建筑能源消耗国，其能源消耗量为美国的两倍，占世界总建筑能耗的24％。目前，我国约50％的建筑能源消耗用于采暖、降温和通风等***。由此可见，降低建筑能源消耗，开发制冷降温的新方法、新技术以节约建筑能耗是刻不容缓的任务，是可持续发展战略中一项极具意义的重大挑战。
在降低建筑能源消耗中，辐射制冷是一种无能耗、无污染的新型制冷方式。所谓辐射制冷，即是通过反射太阳辐射和利用热辐射将地球上物体的热量辐射到外太空的降温冷却技术。热辐射是能量传递方式的一种，任何物体只要温度高于0K，就会因其具有温度向周围环境辐射能量。然而地球表面有一层厚厚的大气，导致地球上物体的热辐射不能轻易的穿过。研究人员通过对大气光谱透射特性分析，发现电磁波波长为8-14μm时，可以有高效地穿过地球表面大气层。因此，这些区域被称为“大气窗口”。如果使地球表面物体的热辐射，通过大气窗口与外太空进行热交换，便可以达到无能源消耗的制冷效果。
传统辐射制冷涂层的研究大都聚焦于太阳辐射调制能力，对于其他功能的研究相对较少。当夏天温度较高时，传统辐射制冷涂层具有良好的制冷能力，而当冬天温度较低时，则增加了取暖能源的消耗。
针对以上问题，我们亟需要研究出一种新型的制冷薄膜。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种能够为建筑物、汽车等节约能源、减少碳排放作用的热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法。
本发明的第一个目的在于提供一种热致变色辐射制冷涂料，所述涂料的制备原料包括如下重量份数的组分：
具体地，所述温敏性树脂为聚丙烯酰胺树脂，所述聚丙烯酰胺树脂的相对分子质量为103、104、105、106g·mol-1中的一种或多种；
优选地，所述聚丙烯酰胺树脂为聚N-异丙基丙烯酰胺。
具体地，所述成膜剂为蛋白成膜剂、丙烯酸树脂成膜剂、聚氨酯成膜剂、丁二烯树脂成膜剂和硝酸纤维成膜剂中的一种或几种；所述分散剂为三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶和脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种
具体地，所述消泡剂为乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯中的一种或几种的混合物；所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、琼脂、黄原胶、卡拉胶和果胶的一种或几种的混合物；所述溶剂为水。
具体地，所述辐射剂为二氧化硅颗粒，所述二氧化硅颗粒的粒径为5.0μm；所述反射剂为二氧化钛颗，所述二氧化钛颗的粒径为0.4μm。
本发明的第二个目的在于提供一种热致变色辐射制冷薄膜，由上述热致变色辐射制冷涂料制备得到。
具体地，在热致变色前，所述薄膜为透明薄膜，所述薄膜的起始透光度为79.5％-91.8％，在太阳光谱波段内起始平均反射率为37.5％-46.7％，“大气窗口”波段内起始平均辐射率为43.2％-49.8％。
具体地，所述薄膜的热致变色温度为28.7-37.4℃，所述薄膜经过热致变为白色后，所述薄膜的致变透光度为10.5％-36.2％，在太阳光谱波段内致变平均反射率为90.3％-95.5％，“大气窗口”波段内致变平均辐射率高达89.8％-94.1％。
具体地，所述薄膜的厚度为200-600μm，所述薄膜能够循环反复使用至少1000次。
本发明的第三个目的在于提供一种如上述薄膜的制备方法，包括如下步骤：
分别称量所述温敏性树脂、所述成膜剂、所述分散剂、所述消泡剂、所述增稠剂、所述辐射剂、所述反射剂、所述溶剂，混合搅拌形成所述热致变色辐射制冷涂料，涂覆所述热致变色辐射制冷涂料制备得到所述薄膜。
本发明创造性地提出，相比于现有的技术手段，具有如下优势：
1、本发明热致变色辐射制冷薄膜的变色机理为温控型变色，变色温度范围在自然环境温度范围内，当环境温度较高时，薄膜颜色为白色，增强太阳辐射反射；当环境温度较低时，薄膜颜色变透明，降低薄膜辐射制冷能力；从而达到全年四季为建筑物节约能源，保持室内舒适温度、减少空调及取暖设备使用，减少碳排放的作用。
2、温敏性树脂的选择，能够促进增强辐射制冷效果，使得薄膜为可逆型变色薄膜，使用寿命长，长期使用其变色性能及辐射制冷性能依然稳定；
3、此外通过简单的配方调整，能够调整其热致变色的温度；薄膜变色灵敏，温敏性强，变色迅速；原料成本低，制备方法简单，能够广泛应用于建筑、汽车等行业。
具体实施方式
降低建筑能源消耗，开发制冷降温的新方法、新技术以节约建筑能耗是刻不容缓的任务，是可持续发展战略中一项极具意义的重大挑战。为了解决现有技术中，传统辐射制冷涂层的研究大都聚焦于太阳辐射调制能力，对于其他功能的研究相对较少；当夏天温度较高时，传统辐射制冷涂层具有良好的制冷能力，而当冬天温度较低时，则增加了取暖能源的消耗的问题，本申请提供一种能够为建筑物、汽车等节约能源、减少碳排放作用的一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法。
本发明提供一种热致变色辐射制冷涂料，涂料的制备原料包括如下重量份数的组分：
温敏性树脂为聚丙烯酰胺树脂，聚丙烯酰胺树脂的相对分子质量为103、104、105、106g·mol-1中的一种或多种；优选地，聚丙烯酰胺树脂为聚N-异丙基丙烯酰胺。聚N-异丙基丙烯酰胺是一种温敏性高分子聚合物材料，在温度身高后会形成不同粒径的微粒，产生光的反射与散射作用，从而增强本申请中的辐射制冷效果。
为了使薄膜具有优良的聚结性能和稳定性，本发明中还加入了成膜剂，促进高分子聚合物的塑性流动和弹性变形，改善聚结性能，使薄膜能够在较大的温度范围内成膜。成膜剂包括但不限于蛋白成膜剂、丙烯酸树脂成膜剂、聚氨酯成膜剂、丁二烯树脂成膜剂和硝酸纤维成膜剂中的一种或几种。
为了使成膜各组分具有良好的相容性，本发明中还加入了分散剂，促使辐射剂和反射剂等无机颗粒在薄膜中具有良好的分散效果，防止其发生沉降和凝聚等不稳定现象。分散剂包括但不限于三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶和脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种。
为了薄膜具有良好的透光度，本发明中还加入了消泡剂，消除在制备过程中带入的空气气泡，避免影响薄膜起始透光度。消泡剂包括但不限于乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯中的一种或几种的混合物。
为了提高薄膜的乳液黏度，增强薄膜稳定性，本发明中还加入了增稠剂，使薄膜的制备乳液中各组分保持均匀稳定的悬浮状态，促进薄膜凝胶的稳定。增稠剂包括但不限于羧甲基纤维素钠、琼脂、黄原胶、卡拉胶和果胶的一种或几种的混合物。
为了使薄膜制备成本低且绿色环保，本发明选用的溶剂为水。
为了使薄膜具有一定的发射率，实现其辐射制冷效果，本发明中还加入了辐射剂，促使薄膜增强大气窗口的发射率，从而降低自身温度，达到辐射制冷效果。辐射剂为二氧化硅颗粒，二氧化硅颗粒的粒径为5.0μm。
为了使薄膜具有一定的反射率，实现其辐射制冷效果，本发明中还加入了反射剂，促使薄膜增强大气窗口的反射率，从而避免自身温度升高，达到辐射制冷效果。反射剂为二氧化钛颗，二氧化钛颗的粒径为0.4μm。
本发明还提供一种热致变色辐射制冷薄膜，由上述热致变色辐射制冷涂料制备得到。
在热致变色前，薄膜为透明薄膜，薄膜的起始透光度为79.5％-91.8％，在太阳光谱波段内起始平均反射率为37.5％-46.7％，“大气窗口”波段内起始平均辐射率为43.2％-49.8％。薄膜的热致变色温度为28.7-37.4℃，薄膜经过热致变为白色后，薄膜的致变透光度为10.5％-36.2％，在太阳光谱波段内致变平均反射率为90.3％-95.5％，“大气窗口”波段内致变平均辐射率高达89.8％-94.1％。
薄膜的厚度为200-600μm，薄膜能够循环反复使用至少1000次。
本发明还提供一种如上述薄膜的制备方法，包括如下步骤：分别称量温敏性树脂、成膜剂、分散剂、消泡剂、增稠剂、辐射剂、反射剂、溶剂，混合搅拌形成热致变色辐射制冷涂料，涂覆热致变色辐射制冷涂料制备得到薄膜。本发明涂覆的方法包括旋涂、刮涂、印刷、喷涂等方式。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业中的常规条件。
实施例1本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，
1.热致变色辐射制冷涂料的制备原料包括如下重量份数的组分：
2.一种热致变色辐射制冷薄膜，其制备方法如下：
将上述称量好的温敏性树脂、成膜剂、分散剂、消泡剂、增稠剂、辐射剂、反射剂、溶剂，混合搅拌90min形成热致变色辐射制冷涂料，涂覆热致变色辐射制冷涂料制备得到厚度为400μm的薄膜。
3.利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为37.4℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例2本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例1基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：聚N-异丙基丙烯酰胺的分子量为104g·mol-1。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为34.8℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例3本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例1基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：聚N-异丙基丙烯酰胺的分子量为105g·mol-1。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为33.6℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例4本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例1基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：聚N-异丙基丙烯酰胺的分子量为106g·mol-1。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为32.2℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例5本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：二氧化硅辐射剂添加量为4份。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为33.4℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例6本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：二氧化硅辐射剂添加量为6份。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为33.7℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例7本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：二氧化硅辐射剂添加量为7份。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为33.9℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例8本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：二氧化钛反射剂1份。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为35.2℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例9本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：二氧化钛反射剂5份。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为31.7℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例10本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：二氧化钛反射剂7份。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为29.8℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例11本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，薄膜的厚度为400μm。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为36.8℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例12本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，薄膜的厚度为600μm。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为28.7℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例13本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，温敏性树脂聚N-异丙基丙烯酰胺为50份。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为41.6℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
实施例14本实施例提供一种热致变色辐射制冷涂料、热致变色辐射制冷薄膜及其制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，温敏性树脂聚N-异丙基丙烯酰胺为150份。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为30.3℃。
本发明的薄膜在反复变色1000次后，其变色性能及辐射制冷性能依然稳定。
对比例1本对比例提供一种薄膜的制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：将温敏性树脂聚N-异丙基丙烯酰胺换成聚丙烯酰胺。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的无热致变色效果，对辐射制冷效果没有增强作用。
对比例2本对比例提供一种薄膜的制备方法，其与实施例3基本相同，不同之处在于，部分制备原料不同，具体不同如下：不含二氧化硅辐射剂和二氧化钛反射剂。
利用紫外分光光度计测试上述制备得到的薄膜的热致变色温度为36.9℃，无辐射制冷作用。
从上述实施例和对比例测试的热致变色和辐射制冷相关数据进行比较，可见对比例1无热致变色效果，对辐射制冷效果没有增强作用。对比例2具有温致变色效果，无辐射制冷作用。实施例具有良好的热致变色效果，且高于致变温度时，能够增强辐射制冷作用。
此外，本发明还针对分散剂、消泡剂、增稠剂及溶剂水的含量、以及各物质的选材对薄膜的影响做了很多的实验，但是发现，只要上述助剂的选材和含量在本申请限定的范围内，都能够满足市场对薄膜的变色性能和制冷性能的要求，本发明也不做穷举。
高于致变温度时，本发明实施例中的温敏性树脂聚N-异丙基丙烯酰胺产生相变，在薄膜其他组分的辅助下稳定形成纳米级乳液，整体显示为白色。掺杂反射剂TiO2反射太阳辐射，辐射剂SiO2在“大气窗口”频段将热量辐射到外太空实现制冷。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种热致变色辐射制冷涂料，其特征在于，所述涂料的制备原料包括如下重量份数的组分：
2.根据权利要求1所述热致变色辐射制冷涂料，其特征在于：所述温敏性树脂为聚丙烯酰胺树脂，所述聚丙烯酰胺树脂的相对分子质量为103、104、105、106g·mol-1中的一种或多种；
优选地，所述聚丙烯酰胺树脂为聚N-异丙基丙烯酰胺。
3.根据权利要求1所述热致变色辐射制冷涂料，其特征在于：所述成膜剂为蛋白成膜剂、丙烯酸树脂成膜剂、聚氨酯成膜剂、丁二烯树脂成膜剂和硝酸纤维成膜剂中的一种或几种；所述分散剂为三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶和脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述热致变色辐射制冷涂料，其特征在于：所述消泡剂为乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯中的一种或几种的混合物；所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、琼脂、黄原胶、卡拉胶和果胶的一种或几种的混合物；所述溶剂为水。
5.根据权利要求1所述热致变色辐射制冷涂料，其特征在于：所述辐射剂为二氧化硅颗粒，所述二氧化硅颗粒的粒径为5.0μm；所述反射剂为二氧化钛颗，所述二氧化钛颗的粒径为0.4μm。
6.一种热致变色辐射制冷薄膜，其特征在于：由权利要求1-5中任一所述热致变色辐射制冷涂料制备得到。
7.根据权利要求6所述薄膜，其特征在于：在热致变色前，所述薄膜为透明薄膜，所述薄膜的起始透光度为79.5％-91.8％，在太阳光谱波段内起始平均反射率为37.5％-46.7％，“大气窗口”波段内起始平均辐射率为43.2％-49.8％。
8.根据权利要求6所述薄膜，其特征在于：所述薄膜的热致变色温度为28.7-37.4℃，所述薄膜经过热致变为白色后，所述薄膜的致变透光度为10.5％-36.2％，在太阳光谱波段内致变平均反射率为90.3％-95.5％，“大气窗口”波段内致变平均辐射率高达89.8％-94.1％。
9.根据权利要求6所述薄膜，其特征在于：所述薄膜的厚度为200-600μm，所述薄膜能够循环反复使用至少1000次。
10.一种如权利要求6-9中任一所述薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
分别称量所述温敏性树脂、所述成膜剂、所述分散剂、所述消泡剂、所述增稠剂、所述辐射剂、所述反射剂、所述溶剂，混合搅拌形成所述热致变色辐射制冷涂料，涂覆所述热致变色辐射制冷涂料制备得到所述薄膜。
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