无金属的太阳光反射红外发射的涂料及其制备方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年10月3日提交的美国临时申请62/740,552和2018年11月13日提交的美国临时申请62/760,281的权益。这些在先申请的内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及用于耗散热能的方法和材料。本发明特别涉及用于太阳光反射红外发射涂层的无金属组合物，包括辐射冷却涂料。

背景技术

冷却暴露于直射阳光下的物体是对于建筑物、汽车和设备具有挑战性但必不可少的需求。空调是一种广泛使用的主动冷却方法，但是会消耗大量电能。此外，对于某些设备来说，主动冷却是不可能的或不可行的，从而导致过热问题和性能下降。已经提出了辐射被动冷却技术，该技术利用通过“天窗”的高发射来将热能传递到深空，而不依赖于电力。如本领域中已知的且如本文所使用的，术语“天窗”是指大气的透明光谱窗，其范围从8微米到约13微米，其中发射可以直接从地球表面通过地球大气层传输到达深空，其作为4K散热器。现有的利用天窗的被动冷却技术通常使用昂贵的多层结构，该多层结构包括金属层以促进高的太阳光反射。但是，金属部件会干扰高频信号，导致通信网络中的室外设备发生故障，并阻碍建筑物中的手机信号接收。金属部件还增加了产品的成本并给其应用带来了不便。这样，开发在辐射冷却技术的某些应用中使用的无金属组分的单层涂料将是合乎需要的，并且在某些情况下是必要的。

发明内容

本发明提供用于太阳光反射红外发射涂层(为方便起见，在下文中称为涂料)的无金属组合物及其制备方法。该涂料适用于在夜间(日落和日出之间)和部分或整个白天(日出和日落之间)当物体受到阳光直射时将物体的温度降低到低于环境温度。

根据本发明的一个方面，一种太阳光反射红外发射涂料包括在聚合物基质中包含粒子的粒子聚合物复合材料，其中所述粒子是纳米颗粒或微粒，所述涂料不包含金属成分，并且所述涂料对于0.3至3微米的太阳光谱波长显示出高反射率；对于8至13微米的波长显示出高发射率。

根据本发明的另一方面，太阳光反射红外发射涂料包括不含聚合物基质的纳米颗粒，其中该涂料不包含金属组分，并且该涂料对于0.3-3微米的太阳光谱波长显示出高反射率，对于8至13微米的波长显示出高发射率。

如上所述的太阳光反射红外发射涂料的技术方面优选地包括：在夜间和部分或整个白天，当物体受到直射阳光时，使物体低于环境温度的能力；并且无需涂料包括金属组分就可以实现这种能力，所述金属组分会干扰高频信号，导致通信网络中的室外设备发生故障，阻碍建筑物中的手机信号接收，增加产品成本并给其应用带来不便。

从以下详细描述中将理解本发明的其他方面和优点。

附图说明

图1A包含的图像示出了实验用的含TiO

图1B和1C分别是图1A的实验用含CaCO

图2A示意性地示出了如何在于聚合物基质中包含颗粒的单层复合涂料内同时实现太阳光反射和天窗发射。

图2B是示出了从0.25至20μm的不同辐射冷却涂料的发射率以及AM1.5太阳光谱和大气透射率的图。

图3A、3C和3E分别绘制了超过一天的时间的实验用的含TiO

图4A是绘制的质量损失图，该质量损失是对实验用的含CaCO

图5A和5B示意性地表示在导致本发明的研究中使用的用于冷却性能表征的两个现场冷却设置。在图5A中，在没有反馈加热器的设置中，记录并比较了实验辐射冷却涂料样品的温度和环境温度。较低的涂料温度表示冷却效果，否则表示加热效果。在图5B中，涂料温度和环境温度通过反馈加热器保持相同。由于传导和对流在没有温度差的情况下可以忽略不计，因此反馈加热器的功耗代表了直接太阳光照射下的实验涂料的冷却能力。

图6示意性地示出了辐射冷却涂料的反射率。

图7包含的图表示具有单一尺寸(D＝100nm)、五个随机尺寸(D＝100±50nm)的纳米颗粒和具有2毫米厚度的含TiO

图8包含的图表示颗粒大小对光散射(λ＝412nm)的影响。

图9是表示颗粒大小对吸收的影响的图。

图10包括表示多种颗粒大小的建模数据的图。

图11是绘制不同厚度的含8％TiO

图12是绘制含TiO

图13是在不同的涂层厚度下绘制含CaCO

图14是绘制与纯丙烯酸薄膜相比在不同涂层厚度下含CaCO

图15是绘制在不同基板上的不同厚度的BaSO

图16是绘制夜间在不同基板上的BaSO

具体实施方式

本公开描述了无金属的组合物，其适合用作能够将物体的温度降低到环境温度以下的辐射冷却涂料(涂层)，优选地在日落和日出之间(夜间)以及部分或整个白天(日出和日落之间)当此类物体受到阳光直射时降低温度。辐射冷却涂料是太阳光反射红外发射涂料，其包括例如在聚合物基质中包含纳米颗粒或微粒的复合材料。值得注意的是，涂料不包含金属成分，并且对于约8至约13微米的波长表现出高发射率。

如本文所用，如“无金属”的术语和辐射冷却涂料不包含金属层或金属成分的说法是指这样的组合物，其中存在的任何金属元素是非金属(例如陶瓷)化合物的一部分和/或以不会干扰可能通过涂料传输的高频信号、无线通信网络、手机信号接收等的杂项含量存在。

作为非限制性实施例，辐射冷却涂料可用于建筑物、汽车和户外设备，它们的使用或操作将受益于实现较低的表面温度，例如，可归因于空调的较低的使用成本，同时避免了与包含金属成分的辐射冷却材料相关的缺点，例如，干扰电信网络、手机信号接收等。此外，辐射冷却涂料对于批量生产而言是经济的，与当前的商业涂料制造工艺兼容，并且可以利用适于可扩展生产的制造技术。

得到本发明的研究表明，某些实验用辐射冷却涂料在峰值日光下提供了惊人的高冷却性能。至少部分地基于以下标准来选择和生产评估的微粒和纳米颗粒材料。选择材料时要考虑它们的大的固有带隙，以最小化在紫外(UV)光谱中的吸收；选择颗粒大小，以强烈反射除中红外光谱之外的太阳光(太阳光光谱波长为0.3到3微米)，以及选择颗粒或基质材料的振动共振，以在天窗中提供强发射。

图1A包含的图像示出了炭黑涂料、实验用含TiO

现在将参考得到本发明的实验研究来描述本发明的非限制性实施方式。

用炭黑涂料(在图1A中标记为“黑”)和基本上由丙烯酸基质中的TiO

具有积分球的UV-VIS-NIR光谱仪和FTIR光谱仪用于在250nm至20μm的波长上进行反射和发射率测量。TiO

如图3A所示，在三天的时间内用炭黑和TiO

在另一个现场实验中，使用反馈加热器使TiO

TiO

制备基本上由丙烯酸基质中的CaCO

制备基本上由丙烯酸基质中的BaSO

由于天窗中9μm处的声子极化共振，理论上认为，设计粒径可以使单层BaSO

图5A和5B示意性地示出了两个现场冷却装置，其被构造成表征前述实验用TiO

太阳光反射率校准是通过经认证的用于UV-Vis-NIR光谱仪的Spectralon漫反射率标准品进行的。用硅晶片进行额外的校准。以硅晶片为基准，TiO

上述研究确定了几种用于白天被动辐射冷却的绝缘单层涂料。当太阳光照射低于600W/m

具有其他微粒和/或纳米颗粒填充材料和/或基质材料的涂料是可预见的，并且在本发明的范围内。通常，优选地基于相对较大的固有带隙来选择材料，以减少UV光谱中的吸收(例如，等于或大于3.2eV)。此外，这种涂料优选具有选择以强烈反射除了中红外光谱以外的太阳光的粒径范围。颗粒和聚合物基质的振动共振也会对与天窗中的发射有关的性能产生影响。基于其大的电子带隙，可以在涂料中用作颗粒的其他材料包括但不限于ZnS，SiO

图7至图10表示来自导致本发明的附加研究的数据。图7表示具有单一尺寸(D＝100nm)、五个随机尺寸(D＝100±50nm)的纳米颗粒的涂料和具有2mm厚度的TiO

在上述文献和研究中，报告了针对不同位置和天气状况的冷却能力，因此很难公平地评估不同的材料。实际上，天气状况会严重影响冷却能力。据报道，与干旱气候相比，在潮湿气候中可以大大抑制冷却能力。为了解决这个问题，定义了一个简单的“品质因数”，在本文中称为RC，以帮助统一任何表面的辐射冷却能力：

RC＝∈

其中∈

还对耐磨性、室外耐候性和粘度进行了其他测试，作为实际应用的至关重要的暗示。在这些测试中，观察到CaCO

I＝1000m/C (2)

其中，m是重量损失，C是循环数。线性拟合到质量损失，图4A示出了市售白色外部涂料，CaCO

将CaCO

测量了CaCO

由于市售外部涂料的厚度通常小于300μm，因此研究了膜厚对复合涂料光学性能的影响。图11汇总了用包含8％体积的TiO

与TiO

在下表1中，将含有60％体积填料的CaCO

表1

将各种厚度的无基质BaSO

上面报道的研究表明，含有适当浓度和尺寸的某些填料的涂料可以在阳光直射下以高效率和相对低的成本达到全日间的低于环境的冷却。在这些研究中，使用高浓度的BaSO

尽管已经根据特定实施方式和研究描述了本发明，但是显然，本领域的技术人员可以采用替代方案。例如，某些组件的功能可以由具有类似(尽管不一定等同)功能的其他组件执行，可以修改工艺参数，并且可以使用适当的材料替代所提到的那些。这样，应该理解的是，详细描述旨在描述本文所表示的特定实施方式及其某些但不一定是所有的特征和方面，并且识别实施方式及其所描述的特征和方面的某些但不一定是所有的替代方案。作为非限制性实施例，本发明包括其他的或替代的实施方式，其中可以删除特定实施方式的一个或多个特征或方面，或者可以组合不同实施方式的两个或多个特征或方面。因此，应当理解，本发明不必限于本文描述或示出的任何实施方式，并且以上采用的措词和术语是出于描述所公开的实施方式和研究的目的，并且不一定是对本发明范围的限制。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限制。