CN114672205B - 辐射冷却涂料和表面涂覆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种辐射冷却涂料和表面涂覆方法。该辐射冷却涂料包含含有聚合物的混合物，其中所述混合物能够固化以形成多孔结构，并且该多孔结构被排布成有助于将太阳辐射从涂覆有所述辐射冷却涂料的表面反射出去并且通过热辐射散热。本发明还提供了利用上述辐射冷却涂料的表面涂覆方法。白色多孔涂料在紫外、可见光和近红外范围内提供高反射率，在中红外范围内提供高发射率，从而使其在阳光直射下也表现出被动辐射冷却效果。该涂料仅使用低成本且无毒的绿色材料，使其适用于大规模应用。由于传统空调使用制冷剂和压缩机进行冷却，不仅对臭氧层造成破坏，还会产生极大的噪音，这使得本发明能成为更环保的空调替代品。

Description

辐射冷却涂料和表面涂覆方法
技术领域
本发明涉及涂料，尤其涉及辐射冷却涂料，还涉及用辐射冷却涂料涂覆表面的方法，属于涂料技术领域。
背景技术
在现实中，有多种实现降温的方法，例如，使用空调***。然而，作为建筑物电力需求的主要驱动因素，空调***消耗了大量能源。具体来说，传统空调***中的压缩机消耗大量能源，而且制冷剂的使用是臭氧层消耗和气候变化的主要原因。
本发明的目的是解决上述需要，克服或基本上改善上述缺点。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种辐射冷却涂料，该涂料包含含有聚合物的混合物，其中该混合物能够固化以形成多孔结构，并且该多孔结构被排布成有助于将太阳辐射从涂覆有辐射冷却涂料的表面反射出去并通过热辐射散热。
根据本发明的具体实施方案，优选地，所述含有聚合物的混合物适于经过相转化工艺(phase inversion)以形成多孔结构。
根据本发明的具体实施方案，优选地，相转化工艺包括湿相转化(wet phaseinversion)。
根据本发明的具体实施方案，优选地，多孔结构中孔径分布于100nm至10μm。
根据本发明的具体实施方案，优选地，多孔结构为多层的网状孔隙结构，多孔结构具有50％以上的孔隙率。
根据本发明的具体实施方案，优选地，辐射冷却涂料是白色的。
根据本发明的具体实施方案，优选地，含有聚合物的混合物能够固化以形成具有用于涂覆在表面上的多孔结构的白色涂料。
根据本发明的具体实施方案，优选地，聚合物包括聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene))。
根据本发明的具体实施方案，优选地，混合物进一步包含极性溶剂和非溶剂。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，极性溶剂包括N-甲基-2-吡咯烷酮和/或丙酮。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，非溶剂包括水和/或乙醇。
根据本发明的具体实施方案，优选地，混合物由8-10％w/w聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)、80-90％w/w N-甲基-2-吡咯烷酮溶液和4-10％w/w水组成。
根据本发明的具体实施方案，优选地，涂料适于反射紫外-可见光和/或近红外范围内的辐射。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，涂料适于反射波长为0.25μm至2.5μm的辐射。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，涂料在紫外-可见光范围和近红外范围内具有大于约95％的反射率。
根据本发明的具体实施方案，优选地，涂料适于辐射中红外范围内的热量。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，涂料适于辐射8μm至13μm波长的热量。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，涂料具有大于约95％的中红外发射率(emissivity)。
根据本发明的具体实施方案，优选地，表面包括木材、金属、混凝土、沥青或粘土等。
根据本发明的第二方面，提供了一种用根据本发明第一方面的辐射冷却涂料涂覆表面的方法。该方法包括以下步骤：将辐射冷却涂料施加到表面上；使混合物(含有聚合物的混合物)固化形成多孔结构，以利于将太阳辐射反射离开辐射冷却涂料涂覆的表面，并通过热辐射散热。
根据本发明的具体实施方案，优选地，使用转相化工艺进行固化步骤。
根据本发明的具体实施方案，优选地，固化步骤包括在非溶剂溶液中润湿混合物。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，非溶剂溶液包含水和/或乙醇。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，辐射冷却涂料是白色的。
根据本发明的具体实施方案，优选地，固化步骤包括将混合物暴露于环境空气预定时间。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，预定时间为12小时以上。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，固化步骤还包括用非溶剂溶液润湿暴露的混合物的表面。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，非溶剂溶液包含水和/或乙醇。
根据本发明的具体实施方案，更优选地，辐射冷却涂料是白色的。
根据本发明的具体实施方案，优选地，固化步骤在环境温度下进行。
根据本发明的具体实施方案，优选地，将辐射冷却涂料施加到表面上的步骤包括喷涂、刮涂或涂布辐射冷却涂料。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是本发明一实施例的辐射冷却涂料的工作原理示意图。
图2是辐射冷却涂料的光谱发射率图。
图3是辐射冷却涂料的光谱反射率图。
图4是显示用辐射冷却涂料涂覆表面的方法的流程图。
具体实施方式
对于温度在-40℃到40℃之间的物体，射出辐射主要集中在8μm到13μm的波长范围内，在该范围内大气有相当高的辐射透过率。因此，位于这个波段的辐射很容易传递到温度约为-273℃的寒冷外太空从而实现冷却。在夜间，由于没有太阳辐射，辐射冷却在热平衡中起主导作用，因此表面冷却效果相对容易实现。然而，在白天可能难以实现表面冷却效果。
不希望受理论束缚，典型的涂料具有有限的冷却效果。例如，典型的白色涂料仅能反射约80％的入射可见光，同时仍会吸收大量红外线和紫外线。再比如，传统的隔热涂料可以通过增加材料的反射率来辅助冷却，但是这些材料的反射率并没有达到理想值——很少有隔热涂料能够达到90％以上的反射率。
为了促进冷却，可以使用辐射冷却方法。典型的辐射冷却方法包括用中红外波长范围内的高发射率金属材料涂覆表面，涂上在大气窗口波长范围内具有强发射的有效发射材料，使用光子晶体材料或带有金属反射器(metal reflector)的多层薄膜。然而，这些方法存在多种缺点，例如发射峰单一、冷却效果差、制造工艺复杂、材料成本高或不适合大规模工业应用。
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于涂覆/覆盖表面的辐射冷却涂料100。辐射冷却涂料100可用于涂覆各种结构和物体的表面，例如墙壁、外墙、瓷砖、屋顶、车辆、衣服等，以及各种材料的表面，例如木材、金属、混凝土、沥青、粘土等。
例如，可以将辐射冷却涂料100涂在建筑物、船舶、车辆等的外表面，以增强散热，以达到对涂有辐射冷却涂料100的表面的冷却效果。辐射冷却涂料100可以实现夜间和白天的冷却效果如下文进一步说明。
辐射冷却涂料100可用作冷却源以在夜间和白天，甚至在阳光下直射也能产生冷却效果。特别地，通过从涂覆有涂料100的表面散发热量和/或从涂覆的表面反射太阳辐射，特别是红外线和/或太阳能，被动地产生冷却效果。例如，在被动辐射冷却过程中，涂料100的表面(特别是面向天空的表面)以约95％以上的反射率反射阳光，并且以约95％以上的中红外发射率向外太空辐射热量，从而将表面和涂有涂料100的材料冷却到可能低于环境的温度。
涂料100优选为白色并且具有多孔结构，优选为孔径为100nm至10μm的纳米级或微米级的孔。特别地，涂料100具有大约50％的孔隙率，这产生了许多光学指数的不连续性(numerous optical index discontinuities)，导致在紫外-可见光范围和近红外范围内的高反射率有助于表面上反射太阳辐射。高孔隙率还加强了反向散射并降低了透射率。孔隙结构还有助于通过高阶弗罗利希共振(Frohlich resonance)促进在中红外范围内的发射。
具体地，如图2和图3所示，涂料100可以反射0.25μm至2.5μm波长范围内的强太阳光，包括紫外线、紫外可见光和近红外辐射，具有95％的高反射率，并促进减少从太阳辐射中获得的热量。涂料100还可以发射8μm至13μm波长范围的热辐射，包括中红外辐射，具有95％的高辐射率，并使地面热辐射能够通过，从而增强表面和结构的散热。在该实施例中，涂料100提供约150W/m2的净冷却功率并将模型房屋的室内空气温度降低约2℃。
参考图4，示出了在表面上涂覆辐射冷却涂料的方法400，包括辐射冷却涂料的制备。方法400首先开始于步骤402，将聚合物、极性溶剂和非溶剂混合(例如通过磁力搅拌或机械搅拌)以形成混合物。该混合物优选为能够固化形成多孔结构的均质溶液。在一个优选实例中，聚合物可包括能够形成孔的材料，优选耐用的聚合物，例如聚(偏二氟乙烯-共六氟丙烯)(PVDF-HFP)。如上所述，孔对实现高反射率和发射率以及冷却效果方面起到重要作用。极性溶剂优选包括挥发性有机溶剂，例如N甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，非溶剂可以包括水和/或乙醇。
极性溶剂和非溶剂的重要性将在后面讨论。在一个优选的实施方案中，将PVDF-HFP粉末溶解在NMP溶液中，并在25℃至40℃下通过磁力搅拌器搅拌形成透明均匀溶液。如本领域技术人员所理解的，可以应用其他搅拌方法来混合混合物的组分。
然后向溶液中加入去离子水并搅拌约4小时直到形成进一步的透明均匀溶液。特别地，进一步的透明均质溶液包含8-10％w/w PVDF-HFP、80-90％w/w NMP溶液和4-10％w/w水。
在步骤404中，用于形成辐射冷却涂料的混合物通过使溶液在室温下静置约4小时以上直到在溶液中观察不到气泡而获得，否则气泡会影响所得到的涂料100的反射率和发射率。
在步骤406中，将透明辐射冷却涂料作为一个层涂覆到表面上以覆盖该表面。该步骤可以通过用喷雾器喷涂涂料、用刮刀刮涂涂料、用不同的涂布工具例如辊和刷子涂布来进行。涂料优选以大于200μm(更优选地，350μm至1200μm)的厚度涂覆表面。
在步骤408中，将施加到表面上的辐射冷却涂料(特别是均质溶液)固化和硬化(cured and solidified)。优选地，该溶液无需加热或使用催化剂或其他添加剂即可在环境温度下固化。因此，涂料可以通过简单地将其放置在室温下干燥凉爽的地方并让极性溶剂挥发来固化。
此外，可固化涂料的固化可以使用相转化过程加速，具体而言，湿相转化过程涉及通过将涂料浸入非溶剂溶液中或将涂料暴露于周围环境然后由非溶剂溶液来润湿涂料，从而去除涂料中的溶剂，并在固化的涂料中留下多孔结构。非溶剂溶液(non-solventsolution)可包括水和/或乙醇。
在固化过程中，涂料中的挥发性极性溶剂(NMP)迅速挥发，留下涂料中的水和PVDF-HFP。在湿相转化过程中，混合物随后发生相分离，随着水的蒸发形成纳米级或微米级的孔隙。如上所述，这些孔有助于向后散射阳光并向太空发射热辐射。
在优选实施例中，透明涂料通过暴露于环境空气约12小时的预定时间而固化。然后将少量的足以引起湿相转化的例如水(例如通过喷涂)施加到涂料上，并使其在周围环境中干燥约5小时。
在固化和干燥之后，在步骤410中，透明涂料变成具有多孔结构的白色涂料100。涂料100的颜色和多孔结构共同促成高反射率和发射率。优选地，涂覆在表面的涂料100的厚度为大于200μm(更优选地，300μm至1000μm)。
这些实施例的优点在于，白色多孔涂料在紫外可见光和近红外范围内提供高反射率，在中红外范围内提供高发射率，从而使其在阳光直射下也表现出被动辐射冷却效果。被动辐射冷却具有零能耗、零污染、无机械部件的优点，在冷却、保护和环境方面显示出显着的节能效果。该涂料仅使用低成本且无毒的绿色材料，使其适用于大规模应用。由于传统空调使用制冷剂和压缩机进行冷却，不仅对臭氧层造成破坏，还会产生极大的噪音，这使得本发明能成为更环保的空调替代品。
消除或减少空调的使用也减少了这些***中机械传动结构产生的噪音，因此可以通过使用冷却涂料作为降低室内温度的解决方案来促进保持安静的环境。
有利地，白色和多孔涂料可以施加在不同的材料表面上，因此可以用于不同的应用中。例如，在交通运输***中，冷却涂料可应用于不同形式的交通工具，如汽车、火车、轮船和货车，以减少车厢内的热量；将冷却涂料涂在在太阳能发电机组周边的金属边框或地面，为太阳能发电板降温，提升发电效率；或将冷却涂料涂在任何需要降温的室外表面，达到被动式的无电降温目的。
在替代示例中，当温度变得太高时，光伏太阳能电池板的效率可能会降低，可以在太阳能电池板的安装结构上涂覆冷却涂料以使其更有效率。
又或者，作为降温涂料的主要成分，P(VdF-HFP)，是一种低成本的高分子材料，同时也是无毒的，可以在纺织材料上涂上这种降温涂料来冷却人们所穿的衣服。
此外，与包含白色颜料如不溶性氧化钛或氧化钙的典型涂料不同，涂料的白色不是由白色颜料产生的，而是由具有多孔结构的固化聚合物层的固有颜色产生的。与典型的白色涂料相比，本发明涂料的制备更简单，生产的涂料在化学上更稳定。此外，由于涂料中不含这些金属氧化物，多孔涂料吸收非常少的紫外线，因此它进一步降低了被覆盖表面的温度。
本领域一般技术人员将理解，在不脱离广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对如特定实施例中所示的本发明进行多种变化和/或修改。例如，辐射冷却涂料可以使用除PVDF-HFP、NMP和水以外的材料制成，或者与上述比例不同的质量比，只要它是用聚合物、极性溶剂和非溶剂制成的。此外，涂料可具有孔径小于或大于纳米级或微米级的孔隙，或具有约50％的孔隙率。涂料的固化过程也可能有所不同。例如，固化过程可以包括加热或使用化学品，可以省略湿相转化过程等。
因此，本发明所描述的实施例在所有方面都应被认为是说明性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则对此处包含的现有技术的任何引用均不应被视为承认该信息是公知常识。

Claims (23)

1.一种辐射冷却涂料，其包含含有聚合物的混合物，其中所述混合物能够固化以形成多孔结构，并且该多孔结构被排布成有助于将太阳辐射从涂覆有所述辐射冷却涂料的表面反射出去并且通过热辐射散热；其中，所述多孔结构为多层的网状孔隙结构，所述多孔结构具有50%以上的孔隙率，所述多孔结构中孔径分布于100nm至10μm；
其中，所述混合物由8-10%w/w的聚(偏二氟乙烯-共六氟丙烯)、80-90%w/w的N-甲基-2-吡咯烷酮溶液和4-10%w/w的水组成，上述各组分的用量之和为100%w/w；
所述混合物经过相转化过程从而实现固化以形成多孔结构，所述相转化过程为湿相转化。
2.根据权利要求1所述的辐射冷却涂料，其中，所述辐射冷却涂料是白色的。
3.根据权利要求2所述的辐射冷却涂料，其中，所述混合物能够固化形成具有用于涂覆在表面上的多孔结构的白色涂料。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的辐射冷却涂料，其中，所述涂料适于反射紫外-可见光和/或近红外范围内的太阳辐射。
5.根据权利要求4所述的辐射冷却涂料，其中，所述涂料适于反射波长为0.25μm至2.5μm的辐射。
6.根据权利要求4所述的辐射冷却涂料，其中，所述涂料具有大于95%的太阳光反射率。
7.根据权利要求5所述的辐射冷却涂料，其中，所述涂料具有大于95%的太阳光反射率。
8.根据权利要求1所述的辐射冷却涂料，其中，所述混合物适于辐射中红外范围内的热量。
9.根据权利要求8所述的辐射冷却涂料，其中，所述涂料适于辐射8μm至13μm波长的热量。
10.根据权利要求8或9所述的辐射冷却涂料，其中，所述涂料具有大于95%的中红外发射率。
11.根据权利要求1所述的辐射冷却涂料，其中，所述表面包括木材、金属、混凝土、沥青或粘土。
12.一种表面涂覆方法，包括以下步骤：
将根据权利要求1-11中任一项所述的辐射冷却涂料涂覆到表面上；以及固化所述混合物以形成多孔结构。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，使用转相化工艺进行所述固化步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述固化步骤包括在非溶剂溶液中润湿混合物。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述非溶剂溶液包括水和/或乙醇。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述辐射冷却涂料是白色的。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述固化步骤包括将所述混合物暴露于环境空气达预定时间。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述预定时间为12小时以上。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，固化步骤还包括用非溶剂溶液润湿暴露的混合物的表面。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述非溶剂溶液包括水和/或乙醇。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述辐射冷却涂料是白色的。
22.根据权利要求12所述的方法，其中，所述固化步骤在环境温度下进行。
23.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述辐射冷却涂料施加到所述表面上的步骤包括喷涂、刮涂或涂布所述辐射冷却涂料。
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