一种防雨痕被动辐射制冷涂料及其制备方法、涂层结构

技术领域

本发明属于被动辐射制冷技术领域，具体为一种防雨痕被动辐射制冷涂料及其制备方法、涂层结构。

背景技术

空调主动制冷技术既耗费电能，又只是把建筑物及其它需要制冷表面的热量排放到室外空间，增强了城市热岛效应。与此截然不同的是，白天的辐射制冷属于被动制冷技术，该技术将大气层(有效天空温度通常低于近地表气温10℃左右)或/和大气层外寒冷的宇宙空间(+3K或-270℃)作为良好的散热器，通过红外辐射的形式将表面的热量散发到远离地表的大气层或/和大气层外的外太空，具有如下的优点：利于节约夏季制冷能耗，降低因燃烧不可再生化石能源发电所造成的二氧化碳气体排放，利于实现碳中和的国家可持续发展战略；缓解城市热岛效应和全球气候变暖。

因此，自2014年人类科学史上首次实验成功观察到白天尤其是阳光直射下表面温度低于环境气温的被动辐射制冷现象以来，白天被动辐射制冷技术成为过去几年世界范围内最热门的前沿研究领域之一。然而，实现明显的白天被动辐射制冷对表面材料的光学性能有着如下极为严格的要求：表面的太阳反射率不低于94％，且越高越好，这样有利于最大限度地压制表面对太阳热的吸收；表面要么在大气窗口(8～13μm)有很好的选择性红外辐射，以便将表面热量以红外辐射的形式直接将热量散发到宇宙空间；要么在大气窗口和大气窗口外的整个红外区域均有很高的辐射率，以便将表面热量以红外辐射的形式散发到宇宙空间和远离地表的大气层。

现有的被动辐射制冷技术包括以下三种：(1)在非金属基材如硅晶板、氟化锂和高分子聚合物膜后镀银提高表面的太阳反射率，又利用非金属材料具有高红外广谱或大气窗口的选择性辐射的自然属性来实现白天的辐射制冷；(2)通过完全去木质素的方法漂白木材制备结构制冷材料；(3)涂层材料。然而，三种技术的表面均为白色。

作为一种功能性外墙乳胶涂料，白天被动辐射制冷涂料与其它外墙涂料一样，漆膜被雨水或结露浸润、流过后留下的竖条状痕迹，从而造成不均匀的表面外观。雨痕包括：亮斑雨痕(蜗牛痕)，发生在高湿度、易结露环境，或在湿度大、易有短时小雨发生的季节，乳胶漆漆膜内的乳化剂、分散剂等亲水性或水溶性有机物被表面停留水溶出，迁移到漆膜表面。当水分完全挥发后富集析出在漆膜上，留下有光印痕；由泛碱/盐析造成的白华雨痕；污染雨痕和褪色雨痕。这些雨痕的存在不仅影响涂层外观，对于白天辐射制冷涂层而言，也会降低雨痕区域的太阳反射率，导致白天辐射制冷涂层失去制冷性能。

另一方面，本研发团队前期研发的荧光及辐射制冷涂料的有效太阳反射率只有94％，虽然能够实现白天阳光直射下表面温度低于环境气温的荧光及辐射制冷，但太阳反射率尚有不小的提升空间，同时，引入荧光制冷后，由于荧光的干扰无法直接用标准的紫外/可见光/近红外分光光度计直接测定其太阳反射率，只能先测定荧光猝灭时的基态太阳反射率，再结合户外测试，用光照仪测定荧光的贡献，测试方法极其麻烦。因此，有待于开发出太阳反射率更高的纯辐射制冷涂料。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种防雨痕被动辐射制冷涂料及其制备方法、涂层结构，解决了现有涂料雨痕影响外观和反射率的问题。本发明旨在提供一种太阳反射率不小于96.8％，红外辐射率不低于90％的白天辐射制冷涂料，同时涂料具有优异的防雨痕自清洁性能，完全可以满足建筑物、油气储罐、液化天然气(LNG)运输船、槽罐车、冷链物流、粮仓、通信基站、变电站、窗帘和遮阳伞等等场景的被动制冷需求，亦可应用于军事网格布的红外伪装隐身中。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种防雨痕被动辐射制冷涂料，包括防雨痕功能型合成乳液、羧酸共聚物多铵盐类分散剂、空心玻璃微珠、二氧化硅、助剂和水。

制冷涂料为底面一体的单层结构，具有优异的防止亮斑雨痕(蜗牛痕)、白华雨痕、水白雨痕(白色水印)、污染雨痕(条状污染)和褪色雨痕的性能。优异的抗雨痕自清洁性能通过如下途径获得：(1)选用合适的乳液，使涂膜在干燥成膜过程中内部自交联，减少水的渗透，提升早期涂膜抗雨痕性；(2)使用疏水改性分散剂，提升涂膜早期抗雨痕性；(3)加入适当的分散剂，使得涂膜干燥过程中，能够“锁住”低分子量的可溶性亲水物质，避免涂层中水溶物溶出迁移到涂膜表面。

空心玻璃微珠作为白色颜料可以增加涂层表面的太阳散射面积，提高太阳反射率。二氧化硅可以提高涂层在大气窗口的选择性红外辐射进而提高涂层材料在整个红外区域的红外辐射率。

进一步的，以重量份计，包括防雨痕功能型合成乳液10份～20份，羧酸共聚物多铵盐类分散剂1份～3份，空心玻璃微珠40份～50份、二氧化硅10份～20份、助剂5份～10份和水10份～22份。

进一步的，所述的助剂包括分散剂、润湿剂、消泡剂、流平剂、成膜助剂。

进一步的，以重量份计，包括分散剂1份～2份、润湿剂1份～2份、消泡剂1份～2份、流平剂1份～2份、成膜助剂1份～2份。

进一步的，在传导和对流非辐射传热系数5.2～5.25Wm

一种上述的防雨痕被动辐射制冷涂料的制备方法，通过防雨痕功能型合成乳液、羧酸共聚物多铵盐类分散剂、空心玻璃微珠、二氧化硅、助剂和水制备出防雨痕被动辐射制冷涂料。

进一步的，所述的助剂包括分散剂、润湿剂、消泡剂、流平剂、成膜助剂。

进一步的，按配方量将防雨痕功能型合成乳液、聚羧酸铵盐分散剂、空心玻璃微珠、二氧化硅和除成膜助剂以外的助剂混合，高速搅拌分散后，低速搅拌下，加入配方量的成膜助剂，分散后即可制备出防雨痕被动辐射制冷涂料。

一种上述的防雨痕被动辐射制冷涂料的涂层结构，所述的防雨痕被动辐射制冷涂料形成单层结构。

进一步的，所述的单层结构厚度不低于300μm，涂层的太阳反射率96％～97％，红外辐射率不小于90％。

本发明的有益效果：提供一种防雨痕自清洁白天被动辐射制冷涂料，底面一体单层结构，不再引入荧光制冷，为单一的辐射制冷涂料。与现有的荧光及辐射制冷涂料及其它制冷涂料相比，具有如下的明显优势：具有优异的防雨痕自清洁性能，能够使得涂层不会因为雨痕影响外观和降低太阳反射率；太阳反射率不低于96.8％，远高于实现白天被动辐射制冷对涂层表面太阳反射率不低于94％的最低要求，也高于现有的荧光及辐射制冷涂料的太阳反射率，与镀银非金属膜材料的太阳反射率相当；在夏季正午阳光直射下，比镀银非金属膜和荧光及辐射制冷涂料具有更强的表面温度低于环境气温的制冷效果。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

附图说明

图1是本发明实施例1的防雨痕制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。

图2是本发明实施例1的防雨痕制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。

图3是本发明实施例2的防雨痕制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。

图4是本发明实施例2的防雨痕制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。

图5是本发明实施例3的防雨痕制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。

图6是本发明实施例3的防雨痕制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

将制备好的白色防雨痕自清洁白天被动辐射制冷涂料通过无气喷涂的方式涂敷在4cm×4cm的铝板上，采用紫外/可见光/近红外分光光度计(Pekin-Elmer Lambda950)和便携式红外辐射率测定仪(AE1，Devices&Services Co.,Dallas,TX)分别测定涂料的光谱反射率和总体太阳反射率以及红外发射率。

将制备好的白色防雨痕自清洁白天被动辐射制冷涂料通过无气喷涂的方式涂敷在自行搭建的制冷器的铝合金板(31cm长×31cm宽×1.0cm厚)上，用放置在制冷器附近的百叶箱内的热电阻测定环境气温，因为铝合金为热的良导体，涂层表面温度等于铝合金温度，可以用插入铝合金板中间圆孔的热电阻测定涂层表面温度。用风速仪测定风速以及传导和对流非辐射传热系数，用辐照仪测定太阳辐照强度。所测得的上述数据通过无线传输到电脑终端。

实施例1

一种防雨痕被动辐射制冷涂料，以重量份计，包括防雨痕功能型合成乳液20份、聚羧酸铵盐疏水改性分散剂2份、空心玻璃微珠50份、二氧化硅10份、分散剂2份、润湿剂2份、消泡剂2份、流平剂1份、成膜助剂1份和水10份。

一种上述的防雨痕被动辐射制冷涂料的制备方法，按配方量将防雨痕功能型合成乳液、聚羧酸铵盐分散剂、二氧化硅和除成膜助剂以外的助剂混合后高速搅拌分散，低速搅拌下，加入配方量的成膜助剂，分散后即可制备出防雨痕自清洁白天被动辐射制冷涂料。

将上述防雨痕被动辐射制冷涂料涂敷在自行搭建的制冷器的铝合金板上，控制涂层干膜厚度为300μm，即可得到该涂料的单涂层结构。

图1是本发明本实施例的防雨痕制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。防雨痕自清洁白天被动辐射制冷涂层的总体红外辐射率91％，总体太阳反射率为96.9％，紫外光谱反射率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为95.1％、98.8％和94.3％。

图2是本发明本实施例的防雨痕制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。可以看出，在阳光直射的正午时段，当传导和对流非辐射传热系数为4.55Wm

实施例2

一种防雨痕被动辐射制冷涂料，以重量份计，包括防雨痕功能型合成乳液15％，聚羧酸铵盐疏水改性分散剂3％，空心玻璃微珠45％、二氧化硅15％、分散剂1.4％、润湿剂1.4％、消泡剂1.4％、流平剂1.4％、成膜助剂1.4％和水15％。

一种上述被动辐射制冷涂料的制备方法和涂层结构，同实施例1。

图3是本发明本实施例的防雨痕制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。防雨痕自清洁白天被动辐射制冷涂层的总体红外辐射率91.5％，总体太阳反射率为96.9％，紫外光谱反射率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为96.9％、98.9％和94.2％。

图4是本发明本实施例的防雨痕制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。可以看出，在天气晴朗、阳光直射的正午时段，当传导和对流非辐射传热系数为5.247Wm

实施例3

一种防雨痕被动辐射制冷涂料，以重量份计，包括：防雨痕功能型合成乳液10％，聚羧酸铵盐疏水改性分散剂1％，空心玻璃微珠40％、二氧化硅20％、分散剂1％、润湿剂1％、消泡剂1％、流平剂2％、成膜助剂2％和水22％。

一种上述被动辐射制冷涂料的制备方法和涂层结构，同实施例1。

图1是本发明本实施例的防雨痕制冷涂层在不同波长下的反射率示意图。防雨痕自清洁白天被动辐射制冷涂层的总体红外辐射率92.3％，总体太阳反射率为96.9％，紫外光谱反射率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为95.1％、98.5％和94.3％。

图2是本发明本实施例的防雨痕制冷涂层在不同时间下铝板表面温度、环境气温和光照强度示意图。可以看出，在天气晴朗、阳光直射的正午时段，当传导和对流非辐射传热系数为5.2Wm

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。比如，如图……还可视为基本例和选择例……的组合，图……也还可视为基本例和选择例……的组合，等等，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。