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一种基于相变材料的动态辐射制冷薄膜的制备方法

文献发布时间：2024-04-18 20:02:18

技术领域

本发明涉及一种基于相变材料的动态辐射制冷薄膜的制备方法，属于功能性膜材料技术领域。

背景技术

在全球气候变暖背景下，清洁能源材料与节能降碳技术具有极为重要的战略意义。传统降温方法(如空调系统等)能源消耗大，导致温室气体排放显著提升。辐射制冷作为一种零能耗、零污染的新型制冷技术。该技术利用宽光谱选择性精准调控，通过针对性优化光学结构满足多场景制冷需求，最终实现可持续无源制冷目标。

辐射制冷作为一种利用热辐射将物体的热量通过大气透明窗口传输到宇宙的新技术，具有零能耗、零污染等优势，在建筑物、车辆、芯片、太阳能电池、衣物等方面发挥着重要作用。但迄今为止所报道的大部分辐射制冷材料无法感知外界环境温度的变化并自主做出相应的热调控行为，反而在寒冷的天气进行不必要的降温，徒增采暖成本，因此能够主动或被动响应外界变化而动态调节自身光学性能的智能材料受到广泛关注。动态辐射制冷利用发射率可变的材料来实现加热或冷却需求变化时红外辐射的自行调节，目前其研究主要包括热致变色、电致变色和机械应变响应等。相变材料(phase change material简称PCM)，是指在物质发生相变时，可吸收或释放大量能量(即相变焓)的一类材料。由于相变材料是利用潜热储能，储热密度大，蓄热装置结构紧凑，并且在相变过程中本身温度基本不变，易于管理，随着全球节能意识的提高，可以看出相变材料的这一特性在节能、温度控制等领域有着极大的意义，因此相变材料及其应用成为研究人员的广泛的研究课题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于相变材料的动态辐射制冷薄膜的制备方法。本发明的辐射制冷薄膜能实现动态控温。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于相变材料的动态辐射制冷薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚合物置于有机溶剂中，加热到50～65℃搅拌溶解；

(2)向步骤(1)所得溶液中加入相变材料和辐射制冷功能材料，50～55℃搅拌0.5～1.5h，再加入分散剂，继续50～55℃搅拌10～20min，得到均匀混合溶液；

(3)取步骤(2)所得的均匀混合溶液倒入洁净且干燥的模具中，静置30～50min(以使溶剂挥发完)，得到初步成型的薄膜；将得到的膜放入萃取液中进行超声处理1～3h后置于无水乙醇中浸泡12～24h，浸泡结束后将膜取出放入烘箱中干燥，得到动态辐射制冷薄膜。

进一步，步骤(1)中，所述聚合物在溶于有机溶剂前，还包括预处理步骤：水洗、干燥；具体为：用去离子水超声清洗10～30min，50～70℃条件下干燥5～7h。

进一步，步骤(1)中，所述聚合物为塑料、纤维、橡胶中的一种或多种，优选为橡胶。所述橡胶为NR、SBR、BR、IR、CR、EPDM、AU、POE、PVC、ACM中的一种或多种。

进一步，步骤(1)中，所述有机溶剂为正己烷、环己烷、乙酸乙酯、丙酮、甲苯、二甲苯、环己烷、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种。

进一步，步骤(1)中，所述聚合物与有机溶剂的用量关系为1g:(12-18)mL，优选为1g:13mL。

进一步，步骤(1)中，将聚合物置于有机溶剂中加热到50～65℃搅拌溶解；加热时间为30～60min，搅拌速率为500～800r·min

进一步，步骤(2)中，所述相变材料为无机相变材料、金属及合金相变材料、有机相变材料或有机与无机混合相变材料，优选无机相变材料。所述无机相变材料选自VO

进一步，步骤(2)中，所述辐射制冷功能材料为球形二氧化硅、二氧化钛、氧化镁、氮化镁、氧化铝、氧化锆、氧化锌、氢氧化镁、氮化硼、硫酸钡、碳酸钙中一种或多种。

进一步，步骤(2)中，所述辐射制冷功能材料的粒径为400nm±10nm，单分散性小于4％。

进一步，步骤(2)中，所述分散剂为甲醇、聚乙烯吡咯烷酮(K30)、乙醇、异丙醇、丙酮、水中的一种。

进一步，步骤(2)中，均匀混合溶液中的相变材料、辐射制冷功能材料及分散剂与聚合物的质量比分别为10％～30％、10％～40％、10％～20％，优选为20％、20％、10％。

进一步，步骤(3)中，所述萃取液为醇类溶液；醇类溶液为甲醇、乙醇、丙醇、叔丁醇中的一种或多种；优选为乙醇。

进一步，步骤(3)中，干燥温度为40～60℃，干燥时间为24～48h。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

(1)本发明制备的基于相变材料的动态辐射制冷薄膜工艺简单，不需要多层膜即可实现动态控温，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。

(2)本发明将相变材料应用于辐射制冷领域，利用相变材料光学性质可调的特点，实现了在外部激励(如光、热等)下动态可调的结构色。整个薄膜的制备具有制样方法简单、灵活的特点，辐射制冷薄膜具有可逆调控的优势，对于动态结构色的实际应用和主动辐射制冷薄膜的制备具有深远意义。

(3)与其他辐射制冷薄膜相比，本发明材料廉价，具有智能动态控温，结构简单，便于大面积制备等特点。

(4)本发明制备的辐射制冷薄膜具有优异的抗紫外线、以及超疏水稳定性能，同时还兼具有很高的柔韧性。

附图说明

图1：实施例1制备的动态辐射制冷薄膜的SEM图。

图2：实施例1制备的动态辐射制冷薄膜表面的静态水接触角测试结果。

图3：实施例1制备的动态辐射制冷薄膜在不同条件下处理后薄膜表面的静态水接触角变化。

图4：实施例1制备的动态辐射制冷薄膜及纯POE薄膜的应力应变曲线图。

图5：实施例1制备的动态辐射制冷薄膜的动态控温图。

图6：实施例1制备的动态辐射制冷薄膜的拉伸形变测试图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。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权利要求书所限定的范围。

实施例1一种基于相变材料的动态辐射制冷薄膜的制备方法，包括以下步骤：

将聚烯烃弹性体POE(乙烯-辛烯共聚物，辛烯含量为30％，上海塑发塑胶有限公司)置于去离子水中超声清洗30min，60℃条件下干燥5h；取10g干燥的POE加入130mL正己烷中，加热至60℃，以700r·min

对比例1纯POE辐射制冷薄膜的制备方法

本发明利用相变材料的热致相变特性，在相变前后光学性质不同，相变材料的吸收系数在“大气窗口”波段(即中红外8～14um大气窗口)相差较大，在太阳辐射辐射波段(0.3～3μm)较低，以满足高温制冷，低温制热的要求。在温度较高时通过“大气窗口”波段(即中红外8～14um大气窗口)和太阳辐射辐射波段(0.3～3μm)对外辐射能量，并且反射太阳光，其余波段低发射率；而在温度较低时几乎不对外辐射能量，从而能够实现大气窗口波段发射率的动态调控。

图1展示了实施例1制备的动态辐射制冷薄膜的SEM图。其中：右上插图为动态辐射制冷薄膜的局部放大图。可见薄膜呈现出一种不规则的多孔粗糙结构，这为薄膜的超疏水性和提高制冷效果提供了条件。

图2展示了实施例1制备的动态辐射制冷薄膜表面的静态水接触角测试结果。实施例1制得的膜的静态水接触角为155°，说明所制备的薄膜具备超疏水性，有利于室外防污染，提高了薄膜的使用周期；另实验所测纯POE薄膜的静态水接触角为138°。

图3展示了实施例1制备的动态辐射制冷薄膜在不同条件下处理后薄膜表面的静态水接触角变化。其中：(a)为薄膜在pH＝1～13范围内不同水溶液中浸渍168h后的；(b)为薄膜在砂纸进行10次摩擦循环后的。不难看出不管是经过酸碱浸泡处理还是砂纸摩擦处理的薄膜的静态水接触角值始终大于150°，说明所制备的薄膜具有稳定的超疏水性。

图4展示了实施例1制备的动态辐射制冷薄膜及纯POE薄膜的应力应变曲线图。可以看出，纯POE薄膜断裂强度和断裂伸长率分别为40.4377MPa、1319％，展现出一定的可拉伸性能；POE/SiO

图5展示了实施例1制备的动态辐射制冷薄膜的动态控温图。其中：(a)为白天实时太阳光照强度及薄膜的温度；(b)为夜间空气相对湿度及薄膜的温度；(c)为薄膜的冷却功率；(d)为薄膜的加热功率。

从图5中(a)可见，白天太阳辐照度保持在1000W/m

图6展示了实施例1制备的动态辐射制冷薄膜的拉伸形变测试图。其中：(a)为取5cm×1cm的薄膜试样进行卷曲拉伸；(b)为取5cm×1cm的薄膜试样进行托举2.5kg的水热反应釜拉伸。通过对薄膜卷曲拉伸，托举重物显示了制备的薄膜具有优越的柔韧性，及很高的弹性形变能力。