一種輻射製冷塗料及其製備方法和輻射製冷塗層
2024-04-14 17:53:05 1
1.本發明屬於塗層材料領域，尤其涉及一種輻射製冷塗料及其製備方法和輻射製冷塗層。
背景技術：
2.全球氣候變化問題日益突出所導致的能源消耗和熱量管理問題日益嚴峻。諸如電子元器件的散熱問題、居民建築降溫問題、工業廢熱管理問題等均是新時期需要解決的棘手問題。因此發展新型的冷卻技術替代傳統的風機散熱、空調製冷等勢在必行。
3.近年來，一種不需要能源輸入便可以實現降溫的被動冷卻技術得到了廣泛關注。屬於被動冷卻技術之一的輻射冷卻通過反射可見光和近紅外光波段(波長400～2500nm)，並向宇宙發射不被大氣所吸收的光波(波長8～13μm)實現了環境的有效冷卻。因此要求輻射製冷塗層在400～2500nm波段具有高效的反射率，並在紅外大氣窗口區(波長8～13μm)具有高效的發射率，對材料的製備提出了更高的要求。
4.公開號為cn115403887a的中國專利文獻公開了一種彩色的輻射製冷塗料，該塗料將無機納米粒子和無機顏料粒子分散於有機溶劑中配置成分散液，並向分散液中加入有機聚合物和聚乙烯吡咯烷酮，攪拌溶解均勻後將其通過相轉化的方法在基材上進行塗覆，隨後在水中進行凝固浴，脫落成膜並乾燥即可得到彩色日間被動輻射冷卻多孔膜。該塗料的製備方法操作簡單、靈活，且製備的多孔膜具有良好的降溫效果，但其僅適用於白天降溫，且由於聚合物的加入使得在400～2500nm波段的吸收較強，反射較低。
技術實現要素：
5.有鑑於此，本發明的目的在於提供一種輻射製冷塗料及其製備方法和輻射製冷塗層，本發明提供的輻射製冷塗料所形成的塗層在400～2500nm波段具有高效的反射率，並在紅外大氣窗口區(波長8～13μm)具有高效的發射率，且其被賦予有超疏水功能，可以適用於各種潮溼環境。
6.本發明提供了一種輻射製冷塗料，所述輻射製冷塗料的成分包括：籠型聚倍半矽氧烷、矽烷偶聯劑、ph調節劑和有機溶劑。
7.優選的，所述籠型聚倍半矽氧烷的化學結構如式(i)所示：
[0008][0009]
式(i)中，r為乙烯基、烯丙基、環氧基、異丁基、苯基、環己基、聯苯乙烯基、環己烯基、丙烯醯基和氨基中的一種或多種。
[0010]
優選的，所述矽烷偶聯劑為烷基甲氧基矽烷、烷基乙氧基矽烷、乙烯基甲氧基矽烷、乙烯基乙氧基矽烷、γ-巰丙基甲氧基矽烷、甲基丙烯醯氧基甲氧基矽烷和含氟甲氧基矽烷中的一種或多種。
[0011]
優選的，所述籠型聚倍半矽氧烷和矽烷偶聯劑的質量比為1：(0.01～1)。
[0012]
優選的，所述輻射製冷塗料的ph值為3～4。
[0013]
優選的，所述輻射製冷塗料的成分中還包括催化劑和/或水。
[0014]
優選的，所述催化劑為安息香二甲醚和/或二月桂酸二丁基錫。
[0015]
優選的，所述催化劑和籠型聚倍半矽氧烷的質量比為(0～0.05)：1。
[0016]
本發明提供了一種上述技術方案所述輻射製冷塗料的製備方法，包括以下步驟：
[0017]
將組成所述輻射製冷塗料的各成分混合均勻，得到輻射製冷塗料。
[0018]
本發明提供了一種輻射製冷塗層，由上述技術方案所述的輻射製冷塗料塗布後固化形成。
[0019]
與現有技術相比，本發明提供了一種輻射製冷塗料及其製備方法和輻射製冷塗層。本發明提供的輻射製冷塗料的成分包括：籠型聚倍半矽氧烷、矽烷偶聯劑、ph調節劑和有機溶劑。實驗結果表明：本發明提供輻射製冷塗料所形成的塗層在400～2500nm波段具有高效的反射率，並在紅外大氣窗口區(波長8～13μm)具有高效的發射率，同時具備超疏水能力，與水的接觸角為140
°
左右。可見，該塗料在熱帶地區以及潮溼地區具有良好的應用前景。
附圖說明
[0020]
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
[0021]
圖1是本發明實施例1提供的反射譜圖和發射譜圖；
[0022]
圖2是本發明實施例3提供的反射譜圖和發射譜圖；
[0023]
圖3是本發明實施例5提供的反射譜圖和發射譜圖；
[0024]
圖4是本發明實施例5提供的塗層與水的接觸角圖；
[0025]
圖5是本發明實施例7提供的反射譜圖和發射譜圖；
[0026]
圖6是本發明提供的實施例4塗層在金屬鋁基底上的數碼照片圖；
[0027]
圖7是本發明提供的對比例1塗層在金屬鋁基底上的數碼照片圖。
具體實施方式
[0028]
下面對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0029]
本發明提供了一種輻射製冷塗料，所述輻射製冷塗料的成分包括：籠型聚倍半矽氧烷、矽烷偶聯劑、ph調節劑和有機溶劑。
[0030]
在本發明提供的輻射製冷塗料中，所述籠型聚倍半矽氧烷的化學結構優選如式(i)所示：
[0031][0032]
式(i)中，r為乙烯基、烯丙基、環氧基、異丁基、苯基、環己基、聯苯乙烯基、環己烯基、丙烯醯基和氨基中的一種或多種，優選為乙烯基、烯丙基、環氧基、異丁基或環己基。
[0033]
在本發明提供的輻射製冷塗料中，所述矽烷偶聯劑包括但不限於烷基甲氧基矽烷、烷基乙氧基矽烷、乙烯基甲氧基矽烷、乙烯基乙氧基矽烷、γ-巰丙基甲氧基矽烷、甲基丙烯醯氧基甲氧基矽烷和含氟甲氧基矽烷中的一種或多種，優選為烷基甲氧基矽烷、烷基乙氧基矽烷、乙烯基甲氧基矽烷、乙烯基乙氧基矽烷和γ-巰丙基甲氧基矽烷中的一種或多種；所述烷基甲氧基矽烷優選為甲基三甲氧基矽烷和/或丙基三甲氧基矽烷；所述γ-巰丙基甲氧基矽烷優選為γ-巰丙基三甲氧基矽烷(kh-590)；所述矽烷偶聯劑與籠型聚倍半矽氧烷的質量比優選為(0.01～1)：1，具體可為0.01:1、0.02:1、0.03:1、0.04:1、0.05:1、0.07:1、0.1:1、0.105:1、0.15:1、0.2:1、0.21:1、0.25:1、0.3:1、0.35:1、0.4:1、0.45:1或0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.8:1、0.9或1:1。
[0034]
在本發明提供的輻射製冷塗料中，所述ph調節劑優選為冰乙酸；所述ph調節劑的用量根據輻射製冷塗料的ph值確定，所述輻射製冷塗料的ph值優選為3～4。在本發明提供的一個實施例中，所述ph調節劑與籠型聚倍半矽氧烷的用量比優選為(0.2～2)：2，更優選為(0.5～1)：2，具體可為0.5:2、0.6:2、0.7:2、0.8:2、0.9:2或1:2。
[0035]
在本發明提供的輻射製冷塗料中，所述有機溶劑包括但不限於丙酮、四氫呋喃、二氯甲烷、氯仿和n,n-二甲基甲醯胺中的一種或多種，優選為四氫呋喃；所述有機溶劑與籠型聚倍半矽氧烷的用量比優選為(10～20)ml：2g，具體可為10ml:2g、11ml:2g、12ml:2g、13ml:2g、14ml:2g、15ml:2g、16ml:2g、17ml:2g、18ml:2g、19ml:2g或20ml:2g。
[0036]
在本發明提供的輻射製冷塗料中，所述輻射製冷塗料的成分中優選還包括催化劑和/或水。其中，所述催化劑包括但不限於安息香二甲醚和/或二月桂酸二丁基錫；所述催化劑與籠型聚倍半矽氧烷的用量比優選為(0～0.05)：1，具體可為0.005:1、0.01:1、0.015:1、0.02:1、0.025:1、0.03:1、0.035:1、0.04:1、0.045:1或0.05:1；所述水用於與ph調節劑一起調控所述輻射製冷塗料的ph值，其用量根據輻射製冷塗料的ph值確定。
[0037]
本發明還提供了一種上述技術方案所述輻射製冷塗料的製備方法，包括以下步驟：
[0038]
將組成所述輻射製冷塗料的各成分混合均勻，得到輻射製冷塗料。
[0039]
在本發明提供的製備方法中，所述混合的具體過程優選包括：
[0040]
a)將籠型聚倍半矽氧烷溶解於有機溶劑中，得到分散液a；
[0041]
b)利用ph調節劑和水調節所述分散液a的ph值，得到分散液b；
[0042]
c)將所述分散液b、矽烷偶聯劑和催化劑進行混合，得到輻射製冷塗料。
[0043]
在本發明提供的上述混合過程中，各原料的具體種類和用量配比在上文中已經介紹，在此不再贅述；所述分散液b的ph值優選為3～4。
[0044]
本發明還提供了一種輻射製冷塗層，所述輻射製冷塗層由上述技術方案所述的輻射製冷塗料塗布後固化形成。
[0045]
在本發明提供的輻射製冷塗層中，所述固化的方式優選為烘烤和/或紫外線輻照。其中，所述烘烤的溫度優選為40～60℃，具體可為40℃、45℃、50℃、55℃或60℃；所述烘烤的時間優選為5～20min，具體可為5min、10min、15min或20min；所述紫外線輻照的波長優選為300～400nm，具體可為300nm、320nm、340nm、360nm、380nm或400nm；所述紫外線輻的時間優選為5～20min，具體可為5min、10min、15min或20min。在本發明中，當所述輻射製冷塗料中含有催化劑時，優選採用紫外線輻照的方式固化；當所述輻射製冷塗料中不含催化劑時，優選採用烘烤的方式固化。
[0046]
在本發明提供的輻射製冷塗層中，所述輻射製冷塗層的厚度優選為0.05～1mm，具體可為0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。
[0047]
在本發明提供的輻射製冷塗層中，所述輻射製冷塗層塗覆於基底上；所述基底的材料包括但不限於聚合物材料、聚合物基複合材料、金屬材料、混凝土材料或陶瓷材料。
[0048]
本發明提供的技術方案以籠型聚倍半矽氧烷和矽烷偶聯劑作為塗料的主要功能成分，可使塗料在形成塗層後在400～2500nm波段具有高效的反射率，並在紅外大氣窗口區(波長8～13μm)具有高效的發射率，同時具備超疏水能力，與水的接觸角為140
°
左右，其在熱帶地區以及潮溼地區具有良好的應用前景。
[0049]
為更清楚起見，下面通過以下實施例和對比例進行詳細說明。
[0050]
實施例1
[0051]
第一步，將2g乙烯基-籠型聚倍半矽氧烷(即，r為乙烯基的式(i)結構化合物)加入到16ml四氫呋喃溶劑中，並使其良好分散，得到分散液a；
[0052]
第二步，在分散液a中加入1g冰乙酸，並加入適量水調整其ph值為3～4，得到分散液b；
[0053]
第三步，在分散液b中加入0.1gγ-巰丙基三甲氧基矽烷(kh-590)以及0.02g安息香二甲醚，並使二者均勻分散，得到分散液c(ph＝3～4)，即輻射製冷塗料；
[0054]
第四步，將分散液c塗覆於環氧樹脂/碳納米管複合材料基底上，並經紫外線(波長360nm)輻照10min，即獲得厚度為0.1mm的輻射製冷塗層。
[0055]
利用紅外光譜和紫外-可見光譜對塗層的反射率和發射率進行表徵，結果如圖1所示，圖1是本發明實施例1提供的反射譜圖和發射譜圖，其中，(a)圖為反射譜圖，(b)圖為發射譜圖，下同。通過圖1可以看出，該塗層在400～2500nm波段的發射率高達93％，在紅外大氣窗口區的發射率高達96％。
[0056]
利用表面張力/動態接觸角測量儀對塗層與水的接觸角進行測量，接觸角為141
°
。
[0057]
實施例2
[0058]
第一步，將2g烯丙基-籠型聚倍半矽氧烷加入到16ml四氫呋喃溶劑中，並使其良好分散，得到分散液a；
[0059]
第二步，在分散液a中加入1g冰乙酸，並加入適量水調整其ph為3～4，得到分散液b；
[0060]
第三步，在分散液b中加入0.1gγ-巰丙基三甲氧基矽烷(kh-590)以及0.02g安息香二甲醚，並使二者均勻分散，得到分散液c(ph＝3～4)，即輻射製冷塗料；
[0061]
第四步，將分散液c塗覆於環氧樹脂/碳納米管複合材料基底上，並經紫外線(波長360nm)輻照10min，即獲得厚度為0.1mm的輻射製冷塗層。
[0062]
利用紅外光譜和紫外-可見光譜對塗層的反射率和發射率進行表徵，結果為：該塗層在400～2500nm波段的發射率高達91％，在紅外大氣窗口區的發射率高達95％。
[0063]
利用表面張力/動態接觸角測量儀對塗層與水的接觸角進行測量，接觸角為142
°
。
[0064]
實施例3
[0065]
第一步，將2g環己基-籠型聚倍半矽氧烷加入到16ml四氫呋喃溶劑中，並使其良好分散，得到分散液a；
[0066]
第二步，在分散液a中加入1g冰乙酸，並加入適量水調整其ph為3～4，得到分散液b；
[0067]
第三步，在分散液b中加入0.1g甲基三甲氧基矽烷，並使均勻分散，得到分散液c(ph＝3～4)，即輻射製冷塗料；
[0068]
第四步，將分散液c塗覆於環氧樹脂/碳納米管複合材料基底上，並經50℃烘烤10min，即獲得厚度為0.1mm的輻射製冷塗層。
[0069]
利用紅外光譜和紫外-可見光譜對塗層的反射率和發射率進行表徵，結果如圖2所示，圖2是本發明實施例3提供的反射譜圖和發射譜圖。通過圖2可以看出，該塗層在400～2500nm波段的發射率高達92％，在紅外大氣窗口區的發射率高達95％。
[0070]
利用表面張力/動態接觸角測量儀對塗層與水的接觸角進行測量，接觸角為145
°
。
[0071]
實施例4
[0072]
第一步，將2g環氧基-籠型聚倍半矽氧烷加入到16ml四氫呋喃溶劑中，並使其良好分散，得到分散液a；
[0073]
第二步，在分散液a中加入1g冰乙酸，並加入適量水調整其ph為3～4，得到分散液b；
[0074]
第三步，在分散液b中加入0.1gγ-巰丙基三甲氧基矽烷(kh-590)以及0.02g安息香二甲醚，並使二者均勻分散，得到分散液c(ph＝3～4)，即輻射製冷塗料；
[0075]
第四步，將分散液c塗覆於金屬鋁基底上，並經紫外線(波長360nm)輻照10min，即獲得厚度為0.1mm的輻射製冷塗層。
[0076]
利用紅外光譜和紫外-可見光譜對塗層的反射率和發射率進行表徵，結果為：該塗層在400～2500nm波段的發射率高達90％，在紅外大氣窗口區的發射率高達92％。
[0077]
利用表面張力/動態接觸角測量儀對塗層與水的接觸角進行測量，接觸角為138
°
。
[0078]
實施例5
[0079]
第一步，將2g異丁基-籠型聚倍半矽氧烷加入到16ml四氫呋喃溶劑中，並使其良好分散，得到分散液a；
[0080]
第二步，在分散液a中加入1g冰乙酸，並加入適量水調整其ph為3～4，得到分散液b；
[0081]
第三步，在分散液b中加入0.1g丙基三甲氧基矽烷，並使其均勻分散，得到分散液c(ph＝3～4)，即輻射製冷塗料；
[0082]
第四步，將分散液c塗覆於金屬銅基底上，並經50℃烘烤10min，即獲得厚度為0.1mm的輻射製冷塗層。
[0083]
利用紅外光譜和紫外-可見光譜對塗層的反射率和發射率進行表徵，結果如圖3所示，圖3是本發明實施例5提供的反射譜圖和發射譜圖。通過圖3可以看出，該塗層在400～2500nm波段的發射率高達92％，在紅外大氣窗口區的發射率高達95％。
[0084]
利用表面張力/動態接觸角測量儀對塗層與水的接觸角進行測量，結果如圖4所示，圖4是本發明實施例5提供的塗層與水的接觸角圖。通過圖4可以看出，該塗層的水的接觸角為146
°
。
[0085]
實施例6
[0086]
第一步，將2g烯丙基-籠型聚倍半矽氧烷加入到16ml四氫呋喃溶劑中，並使其良好分散，得到分散液a；
[0087]
第二步，在分散液a中加入0.5g冰乙酸，並加入適量水調整其ph為3～4；得到分散液b；
[0088]
第三步，在分散液b中加入0.21gγ-巰丙基三甲氧基矽烷(kh-590)以及0.02g安息香二甲醚，並使二者均勻分散，得到分散液c(ph＝3～4)，即輻射製冷塗料；
[0089]
第四步，將分散液c塗覆於環氧樹脂/碳納米管複合材料基底上，並經紫外線(波長360nm)輻照10min，即獲得厚度為0.1mm的輻射製冷塗層。
[0090]
利用紅外光譜和紫外-可見光譜對塗層的反射率和發射率進行表徵，結果為：該塗層在400～2500nm波段的發射率高達91％，在紅外大氣窗口區的發射率高達90％。
[0091]
利用表面張力/動態接觸角測量儀對塗層與水的接觸角進行測量，接觸角為144
°
。
[0092]
實施例7
[0093]
第一步，將2g烯丙基-籠型聚倍半矽氧烷加入到16ml四氫呋喃溶劑中，並使其良好分散，得到分散液a；
[0094]
第二步，在分散液a中加入1g冰乙酸，並加入適量水調整其ph為3～4；得到分散液b；
[0095]
第三步，在分散液b中加入0.42gγ-巰丙基三甲氧基矽烷(kh-590)以及0.02g安息香二甲醚，並使二者均勻分散，得到分散液c(ph＝3～4)，即輻射製冷塗料；
[0096]
第四步，將分散液c塗覆於環氧樹脂/碳納米管複合材料基底上，並經紫外線(波長360nm)輻照10min，即獲得厚度為0.5mm的輻射製冷塗層。
[0097]
利用紅外光譜和紫外-可見光譜對塗層的反射率和發射率進行表徵，結果如圖5所示，圖5是本發明實施例7提供的反射譜圖和發射譜圖。通過圖5可以看出，該塗層在400～2500nm波段的發射率高達85％，在紅外大氣窗口區的發射率高達90％。
[0098]
利用表面張力/動態接觸角測量儀對塗層與水的接觸角進行測量，接觸角為141
°
。
[0099]
對比例1
[0100]
第一步，將2g乙烯基-籠型聚倍半矽氧烷加入到16ml四氫呋喃溶劑中，並使其良好分散，得到分散液a；
[0101]
第二步，將上述分散液a塗覆於金屬鋁基底上，在50℃烘烤10min，即厚度為0.1mm的塗層。
[0102]
利用紅外光譜和紫外-可見光譜對塗層的反射率和發射率進行表徵，結果為：該塗層在400～2500nm波段的發射率高達93％，在紅外大氣窗口區的發射率高達92％。
[0103]
將對比例1與實施例4的塗層進行對比觀察，結果如圖6～7所示，圖6是本發明提供的實施例4塗層在金屬鋁基底上的數碼照片圖，圖7是本發明提供的對比例1塗層在金屬鋁基底上的數碼照片圖。通過圖6～7可以看出，相較於實施例4的塗層，對比例的塗層無法與基底緊密結合，微小的力會使其剝離脫落，與基底的界面結合力極弱，不能作為有效塗層使用。
[0104]
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。