一种具有自清洁功能的柔性辐射制冷膜及其制备方法

技术领域

本发明属于辐射制冷制备技术领域，涉及一种具有自清洁功能且无需能量输入即可制冷的柔性辐射制冷膜及其制备方法。

背景技术

空调等传统需要能量输入的制冷设备具有良好的制冷效果，但是大范围使用需要消耗大量的能源。据有关统计，全球目前用于制冷方面的电力消耗占全球总消耗的15％，而能源需求主要由储量有限的化石燃料满足，其燃烧会排放大量有害物质和温室气体二氧化碳，这造成了能源短缺、环境污染、全球变暖等严重问题。并且，随着社会的不断进步，人类对能源的需求越来越大，预计到2050年，用于制冷的设备会是今天的10倍。在巨大的能源消耗需求下，开发一种不同于传统的新型制冷技术以大大缓解能源危机和全球变暖的问题，具有重要的意义。

辐射制冷是一种无需能量输入的被动制冷技术，即使在太阳的直接照射下，其温度也能低于环境温度。辐射制冷的原理是将250-2500nm波段的太阳光大部分反射，做到少量吸收，保证自身温度尽量不升高；同时将自身热量通过大气窗口(8-13μm)发射到温度接近绝对零度的外太空，实现无需能量输入的降温。目前的辐射制冷材料主要有无机或金属多孔结构材料、金属聚合物层状涂层、聚合物复合材料和多孔聚合物材料等。近年来，尽管辐射制冷技术取得很大的发展，但制造工艺复杂、易被污染、成本高等问题限制了其实际应用。基于以上问题，本发明提供了一种具有自清洁功能的柔性辐射制冷膜的制备方法。在实现良好制冷性能的同时，具有制备方法简单、自清洁和成本低等特点。

发明内容

本发明针对现有辐射制冷材料制造工艺复杂、易被污染、高成本的局限性，提供一种制备简单、自清洁和成本低且兼具柔性的辐射制冷薄膜。

为了达到上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种具有自清洁功能的柔性辐射制冷膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将基底表面进行清洗，烘干备用。

步骤2：将聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷固化剂、氧化铝颗粒以及溶剂进行共混，通过磁力搅拌器搅拌均匀得到混合溶液；所述的聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷固化剂、氧化铝颗粒以及溶剂的质量比为0.15：0.015：1：(1-1.5)。

步骤3：在通风橱中，将步骤2得到的均匀混合溶液滴涂到步骤1得到的基底表面；溶剂挥发后，将基底放到加热台上固化，冷却后脱模，即可得到具有自清洁性和柔性的辐射制冷膜。

进一步的，所述步骤1中，所述基底为具有各种平面形状的铝板或铝合金板；对基底表面进行清洗采用丙酮、去离子水、无水乙醇依次清洗。本发明基底不限于上述基底，不限于各类形状及大小，且不同基底不限于以上三种溶液清洗。

进一步的，所述步骤2中，本发明不限于使用氧化铝颗粒，还包括二氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒、氮化硼颗粒、氧化锌颗粒、氧化镁颗粒、二氧化锆颗粒、三氧化二钇颗粒中的一种或多种均可。

进一步的，所述步骤2中，聚二甲基硅氧烷固化剂为胺类固化剂中的一种或多种。

进一步的，所述步骤2中，所述氧化铝粒径分散在0.5-5μm之间。

进一步的，所述步骤2中，所述溶剂为乙酸丁酯、乙酸乙酯、丙酮中的一种或者多种；磁力搅拌器搅拌时间为0.5-1h。

进一步的，所述步骤3中，每10cm

进一步的，所述步骤3中，溶剂挥发时间为3-5h，加热温度是100-150℃，加热固化的时间是10-30min，脱模方式是刀片脱模法。

一种具有自清洁功能的柔性辐射制冷膜，采用上述制备方法制得。

本发明的创新性及原理说明：利用相分离方法制备辐射制冷膜，制备方法简单易行。在实现辐射制冷的同时，还具有自清洁性和柔性。聚二甲基硅氧烷是透明的疏水性聚合物材料，固化后具有良好的柔性，可以使辐射制冷膜具有良好的自清洁性和良好的柔性。聚二甲基硅氧烷在可见光和近红外波段吸收率较低，在中红外波段具有良好的发射率，使膜具有辐射冷却的功能。氧化铝在可见光和近红外光谱范围内的吸收可以忽略不计，因此，在太阳直接照射下几乎不会产生热量。在中红外波段，氧化铝粒子具有高发射率，从而增强膜的辐射制冷能力。

本发明有益效果在于：

(1)本发明制备的辐射制冷膜可以在太阳的直接照射下，实现12℃的降温效果。

(2)本发明制备的辐射制冷膜具有良好的柔性，扩大了应用范围。

(3)本发明制备的辐射制冷膜表面与水的接触角大于150°，具有良好的疏水性和自清洁性，保证膜表面不会因环境污染而影响制冷效果。

(4)本发明所用材料均为工业级材料，获取方式容易，成本低廉。所用的制备方法为滴涂法，操作工艺简单易行。大部分传统的辐射制冷膜不具有柔性、自清洁性、制备方法复杂以及成本高，本发明的制备方法简单易行，所用的材料廉价，且制备出的膜具有良好的自清洁性能和柔性，可以大规模、大批量进行制备，具有良好的工业前景。

附图说明：

图1为本发明实施例1制备辐射制冷膜的反射率数据图。

图2为本发明实施例1制备辐射制冷膜的制冷数据图，图2(a)是制冷效果图，图2(b)为测试时的太阳功率，图2(c)为温差图。

图3为本发明实施例1制备辐射制冷膜表面接触角。

图4为本发明实施例1制备辐射制冷膜自清洁性能的效果图，图4(a)为膜表面有泥土污染，图4(b)是自清洁时的状态图，图4(c)自清洁后图。

图5为本发明实施例1制备辐射制冷膜的表面形貌图，图5(a)是放大1000倍后的表面形貌图，图5(b)是放大5000倍后的表面形貌图。

图6为本发明实施例1制备辐射制冷膜的柔性测试图，图6(a)是将膜弯曲180°，图6(b)是卸力后，膜恢复原样。

具体实施案例

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

实施例1

一种具有自清洁功能的柔性辐射制冷膜的制备方法，包括以下具体步骤：

本实施案例选用60mm x 60mm x 1mm的1060铝板作为基底材料，经过丙酮、去离子水和乙醇清洗后，干燥后放置在通风橱内。

将1.5g聚二甲基硅氧烷与10g乙酸丁酯混合，加入10g氧化铝和0.15g聚二甲基硅氧烷固化剂，采用磁力搅拌器搅拌1h，得到混合均匀的混合溶液。将得到的混合溶液滴涂到铝板上，

其中，每10cm

同时，本发明对所制备的辐射制冷膜性能进行检测：

(1)辐射制冷膜的制冷性能检测

使用Lambda1050+型分光光度计直接以聚四氟乙烯涂层的积分球作为仪器的标准检测器来测试紫外/可见光/近红外波段的反射率，测试步长为0.5nm，将测试结果带入公式E1计算得出反射率为0.96。其中300-2500nm为太阳光谱；λ是波长；R

用带Pike金镜积分球的傅里叶红外光谱仪(Nicolet iS50)测量2.5-15μm波段的反射率，将测试结果代入公式E2，计算得到发射率为0.95。其中8-13μm波段为大气透明窗口，R

(2)辐射制冷膜的制冷性能室外测试

辐射制冷膜的制冷性能室外测试装置是在30cm x 20cm x 5cm的泡沫板上，设置四个5cm x 5cm x 1cm的凹槽。其中三个凹槽分别用辐射制冷膜、1060铝板以及在1060铝板上覆盖辐射制冷膜覆盖，在四个凹槽内分别放置K型热电偶传感器，用于测试四个凹槽的温度，采用八通道温度记录仪(JINKO,JK-808)来记录实时温度。整个泡沫板用铝箔包裹，以屏蔽周围环境的辐射。为了屏蔽热对流的影响，在上方覆盖了一层聚乙烯薄膜。用太阳光度计(TES-132)来测量太阳功率。在2022年11月8日，中国辽宁省大连市大连理工大学知方楼前广场进行测试，测试时间从上午九点持续到下午一点，测试时间为四个小时。图2(a)为测量的降温效果图，曲线从上到下依次是为铝板温度，空气温度，覆盖辐射制冷膜的1060铝板温度以及辐射制冷膜的温度。对比辐射制冷膜与空气温度以及对比铝板和覆盖辐射制冷膜的铝板的温度可以发现降温效果显著。图2(b)为测试过程中上午九点到下午一点的太阳功率。图2(c)是温差图，从上到下依次是铝板温度减去空气温度的结果，覆盖辐射制冷膜的铝板温度减去空气温度的结果、辐射制冷膜减去空气温度的结果，前两条曲线表明该辐射制冷膜对铝板的制冷效果明显，最后一条曲线表明辐射制冷膜具有良好的制冷性能。可以发现该辐射制冷膜在太阳功率为300-650W/m

(3)辐射制冷膜自清洁性能检测

使用TBU 100接触角测量仪测量样品的接触角，测试所用水滴大小5μL，拟合方式为多项式拟合，计算方法为切线法，每个样品选取5个点进行测量。所有测量均在室温下进行，测得样品表面的接触角为158°，如图3所示。图4为辐射制冷膜自清洁性能测试过程，首先将样品放在培养皿中倾斜的玻璃片上，在样品上放置泥土，如图4(a)所示；然后利用滴管在样品上方滴水，可以看见样品表面的泥土会随着水滴滑落样品表面，如图4(b)所示；随着泥土的全部滑落，辐射制冷膜实现表面自清洁，表面光洁如初，如图4(c)所示。

(4)辐射制冷膜表面形貌检测

使用场发射扫描电镜SU5000进行表征。图5(a)为放大1000倍的膜表面微观形貌，图5(b)为放大5000倍的膜表面微观形貌。结果表明制备的膜表面具有凹凸不平的微纳米级粗糙结构。这些微纳米粗糙结构是由粒径分散的氧化铝被聚二甲基硅氧烷粘合而成，这为样品表面疏水提供了条件，同时增强了样品在可见光/近红外波段的反射率以及8-13μm波段的发射率。

(5)辐射制冷膜柔性测试

如图6(a)所示，将膜弯曲180°，膜没有被折断或者出现裂缝；随后卸力，可以发现辐射制冷膜恢复原状，没有任何变化，如图6(b)所示。

实施例2

一种具有自清洁功能的柔性辐射制冷膜的制备方法，包括以下具体步骤：

本实施案例选用80mm x 80mm x 1mm的7075铝合金板材作为基底材料，经过丙酮、去离子水和乙醇清洗后，干燥后放置在通风橱内。

将3g聚二甲基硅氧烷与24g乙酸乙酯混合，加入20g二氧化硅和0.3g聚二甲基硅氧烷固化剂，采用磁力搅拌器搅拌45min，得到混合均匀的混合溶液。

将得到的混合溶液，滴涂到铝合金板材上，其中，每10cm

实施例3

一种具有自清洁功能的柔性辐射制冷膜的制备方法，包括以下具体步骤：

本实施案例选用100mm x 100mm x 1mm的6061铝合金板材作为基底材料，经过丙酮、去离子水和乙醇清洗后，干燥后放置在通风橱内。

将4.5g聚二甲基硅氧烷与45g乙酸丁酯混合，加入30g二氧化钛和0.45g聚二甲基硅氧烷固化剂，采用磁力搅拌器搅拌30min，得到混合均匀的混合溶液。

将得到的混合溶液，滴涂到铝合金板材上，其中，每10cm

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。