CN114716865B - 一种用于全天候热管理的辐射散热相变涂料及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于全天候热管理的辐射散热相变涂料及其制作方法。该涂料主要成分为二氧化硅、石蜡和粘结剂树脂，其中石蜡包裹在纳米二氧化硅球中形成相变微胶囊，该微胶囊与高红外辐射粘结剂树脂混合组成具备辐射散热‑储热双功能的涂料。将该涂料涂覆于建材、室外器件表面得到相变复合涂层，太阳光谱加权反射率为93％～97％，大气窗口发射率为91％～93％，相变焓值为60～80J/g。本发明通过低成本方法，大规模制备红外辐射增强的相变复合材料，在保留原有高太阳光反射率、高大气窗口红外发射率的基础上，附加相变潜热存储寄生的热量，缓冲温度上升，最终获得更好的室外建筑、电子器件热管理性能。

Description

一种用于全天候热管理的辐射散热相变涂料及其制作方法
技术领域
本发明涉及涂料，具体涉及一种建筑、室外电子器件全天候热管理的辐射散热相变涂料及其制作方法。
背景技术
现代热管理技术消耗大量的能源，并伴随着大量温室气体的排放，建立被动式的热管理技术将有力缓解这一现状。辐射散热技术近年来获得广泛关注，其通过反射几乎全部的太阳光、增强大气窗口红外发射(8～13μm)的方式被动地降低建筑等室外物体的温度，以达到减少热管理能源消耗的目的。然而，红外辐射材料不可避免地吸收太阳光能量、环境辐射和传导的热量，在实际应用中效果不够理想。通过理论设计，可通过结合相变储能材料，将被动输入的能量以潜热形式存储，增强对建筑热控的散热效果。
目前关于辐射散热与相变储能材料相结合的发明主要为将辐射散热涂层与相变储能材料层进行简单拼接，使得两者各自发挥功效。如中国发明专利公开说明书CN107975895A，将辐射制冷膜和传热翅片组合，相变材料采用翅片模组进行封装，但此装置形成了体积庞大的***，不利于建筑热管理应用。中国实用新型专利CN214469444U将固态相变VO2材料层与晶体反射层结合，其只能利用VO2相变前后光学性质的变化，未结合相变储热的优势，且其制备成本高。
发明内容
针对目前热管理的高能源消耗问题，本发明的目的是提供一种可用于建筑、室外电子器件全天候热管理的辐射散热相变涂料及其制作方法，获得更好的室外建筑、电子器件热管理性能，减少热管理对能源使用的依赖。
本发明提供的一种可用于建筑、室外电子器件全天候热管理的辐射散热相变涂料具备辐射散热-储热双功能，主要成分为二氧化硅、石蜡和粘结剂树脂，其中石蜡包裹在纳米二氧化硅球中形成相变微胶囊，该微胶囊与高红外辐射粘结剂树脂混合组成所述辐射散热相变涂料。
优选的，所述微胶囊的直径分布于0.5～1.5μm。微胶囊中包裹的石蜡选择低温相变石蜡，由碳原子数为17～20的长链烷烃组成，其相变熔化温度区间为20～40℃。
本发明的辐射散热-储热双功能相变涂料的太阳光谱加权反射率为93％～97％，大气窗口发射率为91～93％，相变焓值为60～80J/g。
优选的，所述粘结剂树脂为高红外辐射(发射率大于90％)的粘结剂树脂，例如聚氨酯树脂、聚丙烯酸树脂、聚乙烯醇缩丁醛树脂等。
所述微胶囊与粘结剂树脂混合的质量比优选为1～2.5。
本发明的辐射散热相变涂料中的相变微胶囊可以通过下述方法制备得到：选择17-20碳链长度的低聚合度烷烃石蜡，将其与表面活性剂相互作用在水-乙醇混合溶剂中形成水包油微乳液，有机硅通过水解反应在该微乳液滴表面形成二氧化硅壳层，不同的水和乙醇比例形成不同尺寸的石蜡液滴，进而合成不同尺寸的微胶囊颗粒。平均直径在1μm左右的微胶囊颗粒与太阳光波长尺寸相当，满足米氏散射条件，具有较高的太阳光反射率；二氧化硅中Si-O振动峰波长位于大气窗口处，因而该微胶囊具有较高大气窗口红外发射率；选取的石蜡熔化温度区间为20～40℃，相变焓值高，满足一般建筑热管理需求，在夜间释放热量也可以缓冲温度急剧下降。将该微胶囊与高红外辐射的粘结剂树脂混合，最终获得散热效果良好的辐射散热-储热双功能相变复合材料。
具体的，本发明的用于全天候热管理的辐射散热相变涂料的制作方法，包括如下步骤：
1)选择一种或者多种碳原子数目为17～20的长链烷烃进行升温熔化，随后与液态有机硅进行混合，搅拌均匀后加入水-乙醇混合溶剂，并加入阳离子表面活性剂，混匀后进行超声分散，得到稳定的微乳液，调整pH为10～12，加热水解后获得微胶囊悬浊液；
2)将微胶囊悬浊液进行抽滤处理，获得微胶囊粉末，洗涤该粉末，然后真空干燥，缓慢除去剩余溶剂；
3)将干燥后的微胶囊粉末分散于乙醇中，加入高红外辐射醇溶型粘结剂树脂，加热得到所述辐射散热相变涂料。
上述步骤1)中，所述长链烷烃例如十七烷、十八烷、十九烷、二十烷等，长链烷烃在混合体系中的质量百分含量优选为5％～10％。
上述步骤1)中，所述液态有机硅可选自硅酸四甲酯、硅酸四乙酯、甲基三甲氧基硅烷等；液态有机硅在混合体系中的质量百分含量优选为7.5％～15％。
上述步骤1)中，所述阳离子表面活性剂例如十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵等；阳离子表面活性剂在混合体系中的质量百分含量优选为0.8％～1.5％。
上述步骤1)中，所述水-乙醇混合溶剂在混合体系中的质量百分含量优选为78％～85％。水和乙醇的比例影响形成的石蜡液滴的尺寸，优选的，水:乙醇的体积比为1～1.5。
在步骤1)中，优选采用弱碱性溶液调整所述微乳液的pH，所述弱碱性溶液为浓氨水、苏打水、小苏打水等，调整的pH为10～12。
进一步的，在步骤1)中形成的微乳液中，长链烷烃、液态有机硅、水-乙醇混合溶剂、阳离子表面活性剂的质量占比依次为：5％～10％、7.5％～15％、78％～85％、0.8％～1.5％。
上述步骤1)中，优选将长链烷烃、液态有机硅、水-乙醇混合溶剂和阳离子表面活性剂的混合体系在匀浆机中高速搅拌混合，匀浆机转速为10000～15000rpm，运行时间为3～5min；然后利用超声波处理器进行超声分散处理，超声波处理器功率为500～700W，运行时间为10～20min，得到稳定的乳液；将微乳液调整pH为10～12后，加热至合适温度(例如40-60℃)进行缓慢机械搅拌，机械搅拌转速为350～500rpm，运行时间为24～36h，在此过程中有机硅水解，在微乳液滴表面形成二氧化硅壳层，获得微胶囊悬浊液。
上述步骤2)中，优选将过滤得到的微胶囊粉末依次加入乙醇、水、正己烷、乙醇进行四次洗涤处理，然后置于真空环境中加热至60～80℃恒温处理一段时间，缓慢除去剩余溶剂。
上述步骤3)中，将微胶囊粉末通过磁子低转速搅拌分散于乙醇中，转子转速为200～400rpm，运行时间为30～60min，然后加入高红外辐射醇溶型粘结剂树脂，加热至40～60℃恒温搅拌20～30min，形成涂料。其中，所述高红外辐射醇溶型粘结剂树脂可以选自醇溶型聚丙烯酸树脂、醇溶型聚氨酯树脂、醇溶型聚乙烯醇缩丁醛树脂等。
在步骤3)中，优选的，微胶囊粉末、乙醇、高红外辐射醇溶型粘结剂树脂的混合质量比依次为9％～12％、80％～85％、5％～9％。
上述方法获得的微胶囊直径分布于0.5～1.5μm，相变熔化温度为20～40℃。将所得涂料通过喷涂、粉刷等方式涂覆于建材、室外器件表面，作为辐射散热-储热双功能相变复合涂层，太阳光谱加权反射率为93％～97％，大气窗口发射率为91％～93％，相变焓值为60～80J/g。与现有技术相比，本发明提供的可用于建筑、室外电子器件全天候热管理的辐射散热相变涂料及其制作方法，有益效果在于：通过低成本方法，大规模制备红外辐射增强的相变复合材料，在保留原有高太阳光反射率、高大气窗口红外发射率的基础上，附加相变潜热存储寄生的热量，缓冲温度上升，最终获得更好的室外建筑、电子器件热管理性能。
附图说明
图1是实施例5的辐射散热-储热双功能相变复合涂层的实物照片。
图2是实施例5中制备的微胶囊-树脂涂料的SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详述，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
将十七烷、硅酸四甲酯、水-乙醇溶剂(体积比3:2)、十六烷基三甲基溴化铵按质量比例为5％:9％:85％:1％混合，混合后通过匀浆机以10000rpm转速进行搅拌处理，通过超声波处理器以500W功率进行超声分散处理，运行时长分别为3min、10min，最终形成稳定分散的微乳液。将微乳液置于三口烧瓶中，通过机械搅拌器以400rpm缓慢搅拌，水浴加热至恒温45℃，加入2mL浓氨水调节pH至10～12，反应24h后获得微胶囊悬浮液。微胶囊通过抽滤悬浮液获得，依次加入乙醇、水、正己烷、乙醇进行四次洗涤处理，之后置于真空烘箱中以60℃恒温干燥12h，缓慢除去剩余溶剂。将干燥后的微胶囊粉末通过磁子以500rpm转速分散于乙醇中，加入醇溶型聚丙烯酸树脂，加热至50℃恒温搅拌20～30min形成涂料体系，微胶囊粉末、乙醇和醇溶型聚丙烯酸树脂的用料质量百分比分别为9％、85％、6％。通过喷涂、粉刷等方式将制备的涂料体系涂覆于建材、室外器件表面，作为辐射散热-储热双功能相变复合涂层，其太阳光谱加权反射率为95.5％，大气窗口发射率为92％，相变焓值为75J/g。。
实施例2
将十八烷、硅酸四乙酯、水-乙醇溶剂(体积比3:2)、十八烷基二甲基苄基氯化铵按质量比例为6％:9％:84％:1％混合，混合后通过匀浆机以12000rpm转速进行搅拌处理，通过超声波处理器以600W功率进行超声分散处理，运行时长分别为4min、12min，最终形成稳定分散的微乳液。将微乳液置于三口烧瓶中，通过机械搅拌器以400rpm缓慢搅拌，水浴加热至恒温45℃，加入2mL浓氨水调节pH至10～12，反应30h后获得微胶囊悬浮液。微胶囊通过抽滤悬浮液获得，依次加入乙醇、水、正己烷、乙醇进行四次洗涤处理，之后置于真空烘箱中以60℃恒温干燥12h，缓慢除去剩余溶剂。将干燥后的微胶囊粉末通过磁子以500rpm转速分散于乙醇中，加入醇溶型聚氨酯树脂，加热至50℃恒温搅拌20～30min形成涂料体系，微胶囊粉末、乙醇和醇溶型聚氨酯树脂的用料质量百分比分别为12％、79％、9％。通过喷涂、粉刷等方式将制备的涂料体系涂覆于建材、室外器件表面，作为辐射散热-储热双功能相变复合涂层，其太阳光谱加权反射率为95.5％，大气窗口发射率为93％，相变焓值为65J/g。
实施例3
将十九烷、甲基三甲氧基硅烷、水-乙醇溶剂(体积比3:2)、十六烷基三甲基溴化铵按质量比例为8％:12％:78.8％:1.2％，混合后通过匀浆机以12000rpm转速进行搅拌处理，通过超声波处理器以600W功率进行超声分散处理，运行时长分别为5min、15min，最终形成稳定分散的微乳液。将微乳液置于三口烧瓶中，通过机械搅拌器以400rpm缓慢搅拌，水浴加热至恒温45℃，加入适量苏打水溶液调节pH至10～12，反应36h后获得微胶囊悬浮液。微胶囊通过抽滤悬浮液获得，依次加入乙醇、水、正己烷、乙醇进行四次洗涤处理，之后置于真空烘箱中以60℃恒温干燥12h，缓慢除去剩余溶剂。将干燥后的微胶囊粉末通过磁子以500rpm转速分散于乙醇中，加入醇溶型聚氨酯树脂，加热至50℃恒温搅拌20～30min形成涂料体系，微胶囊粉末、乙醇和醇溶型聚氨酯树脂的用料质量百分比分别为10％、80％、10％。通过喷涂、粉刷等方式将制备的涂料体系涂覆于建材、室外器件表面，作为辐射散热-储热双功能相变复合涂层，其太阳光谱加权反射率为95.5％，大气窗口发射率为93％，相变焓值为60J/g。
实施例4
将二十烷、硅酸四甲酯、水-乙醇溶剂(体积比3:2)、十八烷基二甲基苄基氯化铵按质量比例为6％:9％:84.2％:0.8％混合，混合后通过匀浆机以10000rpm转速进行搅拌处理，通过超声波处理器以500W功率进行超声分散处理，运行时长分别为4min、10min，最终形成稳定分散的微乳液。将微乳液置于三口烧瓶中，通过机械搅拌器以400rpm缓慢搅拌，水浴加热至恒温45℃，加入2mL浓氨水调节pH至10～12，反应30h后获得微胶囊悬浮液。微胶囊通过抽滤悬浮液获得，依次加入乙醇、水、正己烷、乙醇进行四次洗涤处理，之后置于真空烘箱中以60℃恒温干燥12h，缓慢除去剩余溶剂。将干燥后的微胶囊粉末通过磁子以500rpm转速分散于乙醇中，加入高红外辐射醇溶型聚丙烯酸树脂，加热至50℃恒温搅拌20～30min形成涂料体系，微胶囊粉末、乙醇和醇溶型聚丙烯酸树脂的用料质量百分比分别为12％、80％、8％。通过喷涂、粉刷等方式将制备的涂料体系涂覆于建材、室外器件表面，作为辐射散热-储热双功能相变复合涂层，其太阳光谱加权反射率为94％，大气窗口发射率为93％，相变焓值为70J/g。
实施例5
将十八烷、硅酸四乙酯、水/乙醇溶剂(体积比3:2)、十六烷基三甲基溴化铵按质量比例为9％:12％:78％:1％混合，混合后通过匀浆机以12000rpm转速进行搅拌处理，通过超声波处理器以500W功率进行超声分散处理，运行时长分别为4min、15min，最终形成稳定分散的微乳液。将微乳液置于三口烧瓶中，通过机械搅拌器以400rpm缓慢搅拌，水浴加热至恒温45℃，加入适量小苏打水溶液调节pH至10～12，反应24h后获得微胶囊悬浮液。微胶囊通过抽滤悬浮液获得，依次加入乙醇、水、正己烷、乙醇进行四次洗涤处理，之后置于真空烘箱中以60℃恒温干燥12h，缓慢除去剩余溶剂。将干燥后的微胶囊粉末通过磁子以500rpm转速分散于乙醇中，加入高红外辐射醇溶型聚氨酯树脂，加热至50℃恒温搅拌20～30min形成涂料体系，微胶囊粉末、乙醇和醇溶型聚氨酯树脂的用料质量百分比分别为10％、80％、10％。通过喷涂、粉刷等方式将制备的涂料体系涂覆于建材、室外器件表面，所得涂层如图1所示，图2为涂层的SEM结构图，其中微胶囊和粘结剂分散结合良好，微胶囊保持球形结构。作为辐射散热-储热双功能相变复合涂层，其太阳光谱加权反射率为93.5％，大气窗口发射率为92％，相变焓值为63J/g。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的技术人员皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种辐射散热相变涂料的制备方法，包括以下步骤：
1）选择一种或者多种碳原子数目为17~20的长链烷烃进行升温熔化，随后与液态有机硅进行混合，搅拌均匀后加入水-乙醇混合溶剂，并加入阳离子表面活性剂，混匀后进行超声分散，得到微乳液，调整pH为10~12，加热水解后获得微胶囊悬浊液；其中，所述微乳液中长链烷烃、液态有机硅、水-乙醇混合溶剂、阳离子表面活性剂的质量占比依次为：5 %~10%、7.5 %~15 %、78 %~85 %、0.8 %~1.5 %；具体操作是：将长链烷烃、液态有机硅、水-乙醇混合溶剂和阳离子表面活性剂的混合体系在匀浆机中高速搅拌混合，匀浆机转速为10000~15000 rpm，运行时间为3~5 min；然后利用超声波处理器进行超声分散处理，超声波处理器功率为500~700 W，运行时间为 10~20 min，得到稳定的乳液；将微乳液调整pH为10~12后，加热至40-60 ℃并进行缓慢机械搅拌，机械搅拌转速为350~500 rpm，搅拌时间为24~36 h，在此过程中有机硅水解，在微乳液滴表面形成二氧化硅壳层，获得微胶囊悬浊液；
2）将微胶囊悬浊液进行抽滤处理，获得微胶囊粉末，洗涤该粉末，然后真空干燥，缓慢除去剩余溶剂；所述碳原子数目为17~20的长链烷烃包裹在纳米二氧化硅球中形成直径为1~1.5 μm的相变微胶囊，该尺寸满足米氏散射条件；
3）将干燥后的微胶囊粉末分散于乙醇中，加入高红外辐射醇溶型粘结剂树脂，加热得到所述辐射散热相变涂料，其中微胶囊粉末、乙醇、高红外辐射醇溶型粘结剂树脂的混合质量比依次为9 %~12 %、80 %~85 %、5 %~9 %，所述高红外辐射醇溶型粘结剂树脂选自醇溶型聚丙烯酸树脂、醇溶型聚氨酯树脂、醇溶型聚乙烯醇缩丁醛树脂。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述液态有机硅选自硅酸四甲酯、硅酸四乙酯、甲基三甲氧基硅烷，所述阳离子表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵，所述水-乙醇混合溶剂中水:乙醇的体积比为1~1.5。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法制备的一种辐射散热相变涂料，具备辐射散热-储热双功能，用于全天候的室外建筑及电子器件散热，主要成分为二氧化硅、石蜡和粘结剂树脂，其中，所述粘结剂树脂为发射率大于90%的高红外辐射醇溶型粘结剂树脂；所述石蜡由碳原子数为17~20的长链烷烃组成，石蜡包裹在纳米二氧化硅球中形成直径为1~1.5 μm的相变微胶囊，该尺寸满足米氏散射条件；该微胶囊与高红外辐射醇溶型粘结剂树脂混合组成所述辐射散热相变涂料。
4.如权利要求3所述的辐射散热相变涂料，其特征在于，所述微胶囊中包裹的石蜡为低温相变石蜡，其相变熔化温度区间为20~40 ℃。
5.如权利要求3所述的辐射散热相变涂料，其特征在于，所述高红外辐射醇溶型粘结剂树脂选自聚氨酯树脂、聚丙烯酸树脂、聚乙烯醇缩丁醛树脂。
6.如权利要求3所述的辐射散热相变涂料，其特征在于，所述微胶囊与粘结剂树脂的质量比为1~2.5。
7.如权利要求3所述的辐射散热相变涂料，其特征在于，所述辐射散热相变涂料的太阳光谱加权反射率为93%~97%，大气窗口发射率为91~93%，相变焓值为60~80 J/g。
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