一种被动辐射制冷涂料及其制备方法、涂层结构转让专利
申请号 : CN202110535848.4
文献号 : CN113292874B
文献日 : 2022-05-13
发明人 : 张卫东 , 张红强 , 蔡元柱 , 李艳稳 , 刘联华 , 冯雅 , 秦杰 , 窦枚
申请人 : 中国建筑西南设计研究院有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种被动辐射制冷涂料,其特征在于:由被动辐射制冷底漆和透明自清洁面漆组成,透明自清洁面漆包括亲水纳米二氧化硅、无水乙醇、氨水、正硅酸乙酯和全氟癸基三乙氧基硅烷,被动辐射制冷底漆包括纯丙烯酸乳液、聚四氟乙烯粉末、二氧化硅、分散剂、润湿剂、消泡剂、流平剂、成膜助剂和水;
所述的被动辐射制冷底漆和透明自清洁面漆形成双层结构。
2.根据权利要求1所述的被动辐射制冷涂料,其特征在于:所述的透明自清洁面漆以重量份计包括亲水纳米二氧化硅0.5 1份、无水乙醇75 85份、氨水13 23份、正硅酸乙酯0.05~ ~ ~ ~
0.2份和全氟癸基三乙氧基硅烷0.9 2份。
~
3.根据权利要求1或2所述的被动辐射制冷涂料,其特征在于:所述的透明自清洁面漆表面与水、正十六烷的接触角均大于150º,两种液体的滚动角均小于10º。
4.根据权利要求1所述的被动辐射制冷涂料,其特征在于:所述的被动辐射制冷底漆以重量份计包括纯丙烯酸乳液20 30份、聚四氟乙烯粉末30 40份、二氧化硅10 20份、分散剂1~ ~ ~
2份、润湿剂1 2份、消泡剂1 2份、流平剂1 2份、成膜助剂1 2份和水10 28份。
~ ~ ~ ~ ~ ~
5.根据权利要求1或4所述的被动辐射制冷涂料,其特征在于:在传导和对流非辐射传‑2 ‑1
热系数4.55 5.15 Wm K 的夏日晴天正午时段,涂敷被动辐射制冷涂料的铝板,涂层表面~
温度低于环境气温(9.13±0.25)℃(12.41±0.54)℃。
~
6.根据权利要求1所述的被动辐射制冷涂料,其特征在于:所述的制冷底漆的层厚不小于300μm,透明自清洁面漆的层厚不超过50μm,涂层的太阳反射率不低于96%,红外辐射率不低于90%。
7.一种权利要求1 5任一所述的被动辐射制冷涂料的制备方法,其特征在于:通过亲水~
纳米二氧化硅、无水乙醇、氨水、正硅酸乙酯和全氟癸基三乙氧基硅烷制备得到超疏水/超疏油面漆作为透明自清洁面漆;通过纯丙烯酸乳液、聚四氟乙烯粉末、二氧化硅、分散剂、润湿剂、消泡剂、流平剂、成膜助剂和水制备得到被动辐射制冷底漆。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于:按配方量称取无水乙醇、氨水、亲水纳米二氧化硅、正硅酸乙酯、全氟癸基三乙氧基硅烷,加入到反应容器后,先超声分散,然后高速分散即可制备出超疏水/超疏油悬浮液,然后将超疏水/超疏油悬浮液与氟碳表面活性剂混合,搅拌分散,制备出超疏水/超疏油面漆。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法,其特征在于:按配方量将纯丙烯酸乳液、聚四氟乙烯粉末、二氧化硅、水、分散剂、润湿剂、消泡剂、流平剂混合后高速搅拌分散,然后将分散好的混合物进行研磨,低速搅拌下,加入配方量的成膜助剂,分散后即可制备出白色的被动辐射制冷底漆。
说明书 :
一种被动辐射制冷涂料及其制备方法、涂层结构
技术领域
背景技术
能的同时,只是把建筑物内的热量排放到室外环境,不可避免增强城市热岛效应。白天的辐
射制冷则属于被动制冷,不需要消耗电能,也无需制冷剂氟利昂,直接可以将建筑物内的热
量通过建筑围护结构散发到大气层或大气层外寒冷的宇宙空间(+3K或‑270℃),有利于缓
解城市热岛效应和全球气候变暖趋势。
红外区域的整体红外辐射率越高越好。太阳反射率衡量的是表面反射或压制太阳热吸收的
能力,而红外辐射率表征的则是表面散发自身热量的能力。由于自然界不存在同时具有高
太阳短波反射率和高红外长波辐射率(吸收率)的材料,因此,直到2014年,科学家们才通过
在硅晶板上镀具有自然界最高太阳反射率的稀有金属银的方法将表面的太阳反射率提高
到97%,再在银上面交替镀上七层大气窗口选择性辐射非金属材料二氧化硅和二氧化铪从
而将表面在大气窗口的选择性红外辐射率提高到67%的方法,于人类历史上首次实现了阳
光直射下表面温度低于环境气温的白天辐射制冷现象。
一白色的,这是因为白色具有最高的太阳反射率,有利于压制表面对太阳热的吸收。但白色
表面容易受到灰尘、霉菌和油性污染物的玷污,从而引起太阳反射率的下降而失去制冷性
能。
发明内容
在赋予这些物体表面超疏水/超疏油自清洁性能的同时,还可以使这些物体表面温度昼夜
低于环境气温,实现被动辐射制冷的目标。
涂层的制备方法有很多种,但能够大规模生产和应用的方法当属溶胶‑凝胶法制备的涂层。
溶胶‑凝胶法制备的原料通常是纳米二氧化硅或纳米二氧化硅硅溶胶、正硅酸乙酯、全氟硅
烷、溶剂和催化剂等。正硅酸乙酯和全氟硅烷在酸或碱的催化下,通过水解‑共缩聚反应后,
在纳米二氧化硅表面形成了‑Si‑O‑的网状聚合物。制约超疏水/超疏油透明涂层大规模应
用的技术瓶颈就是涂层与基材的结合力,有待于选择合适的粘合剂,制备出经久耐用的超
双疏涂层。
水/超疏油涂层作面漆,表面科学最前沿的两大前沿技术能否互相兼容并且使各自的性能
得到加强?制冷底漆使得涂层体系的表面温度远低于环境气温,同时制冷底漆具有很高的
紫外反射率。因此,白天辐射制冷底漆能够增强超疏水/超疏油制冷面漆的耐热老化、耐紫
外老化性能,延长其超疏水/超疏油自清洁面层的使用寿命是毫无疑问的。而超疏水/超疏
油自清洁面漆能够使白天被动辐射制冷的太阳反射率不因水性和油性污染物的玷污而下
降从而保持长久的制冷性能也是不言而喻的。唯一存在的问题是:超疏水/超疏油自清洁面
漆是否影响白天辐射制冷底漆的太阳反射率?又能否提高白天辐射制冷底漆在大气窗口的
选择性辐射,进而提高底漆的整体红外辐射率和制冷性能?
辐射制冷底漆包括纯丙烯酸乳液、聚四氟乙烯粉末、二氧化硅、分散剂、润湿剂、消泡剂、流
平剂、成膜助剂和水。
率,反而增强了制冷底漆在大气窗口的选择性辐射,提高制冷底漆的总体红外辐射率;另一
方面,纳米二氧化硅是构筑超疏水/超疏油自清洁所需要的微纳米结构的载体和模板。在催
化剂氨水的催化下,正硅酸乙酯醇解形成硅醇、全氟葵基三乙氧基硅烷醇解形成全氟葵基
硅醇,两种硅醇通过共缩聚反应在纳米二氧化硅表面形成带有超低表面能的长氟碳侧链、
但主链为‑Si‑O‑Si‑结构的共聚物,提供粗糙的微纳米结构。超低的表面能和粗糙的微纳米
结构赋予面漆以优良的超疏水/超疏油自清洁性能。
太阳反射率的则是人工合成的高分子材料聚四氟乙烯压片,通常被用作紫外/可见光/近红
外分光光度计积分球内壁和标准板(太阳反射率100%)。因此,选择聚四氟乙烯粉末可以解
决金红石型二氧化钛在紫外区域强吸收的弱点,获得非常高的太阳反射率。二氧化硅是为
了提高涂层在大气窗口的选择性红外辐射。
~2份。
流平剂1~2份、成膜助剂1~2份和水10~28份。
±0.54)℃。
漆;通过纯烯酸乳液、聚四氟乙烯粉末、二氧化硅、分散剂、润湿剂、消泡剂、流平剂、成膜助
剂和水制备得到被动辐射制冷底漆。
油悬浮液,然后将超疏水/超疏油悬浮液与氟碳表面活性剂混合,搅拌分散,制备出超疏水/
超疏油涂料。
加入配方量的成膜助剂,分散后即可制备出白色的被动辐射制冷底漆。
制冷底漆增强了超疏水/超疏油自清洁面漆的耐热老化和耐紫外老化性能,延长其使用寿
命;超疏水/超疏油自清洁面漆在几乎不影响白天辐射制冷底漆太阳反射率的情况下,增强
了白天辐射制冷底漆的在大气窗口的选择性红外辐射率,从而增强了其制冷性能;超疏水/
超疏油自清洁面漆赋予整个涂层体系以超疏水/超疏油自清洁性能,使得整个涂层体系的
太阳反射率长久维持在94%以上,赋予涂层体系以长久的白天被动辐射制冷性能。
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
具体实施方式
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反射率。
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。
纯丙烯酸乳液30份、聚四氟乙烯40份、二氧化硅15份、水10份、分散剂1份、润湿剂1份、消泡
剂1份、流平剂1份、成膜助剂1份。
浮液。将制备出的超疏水/超疏油悬浮液与氟碳表面活性剂混合,搅拌分散,制备出超疏水/
超疏油涂料。
助剂,分散后即可制备出白色的被动辐射制冷底漆。
涂层干膜厚度为50μm。从而形成上述被动辐射制冷涂料的涂层结构。
射率90%,总体太阳反射率为96%,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93.3%、98.3%和92.8%。
见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为93.9%、98.2%和93.1%。
变,只是可见光光谱反射率略有降低,但紫外光谱反射率和近红外光谱反射率略有增加。
2
多云天气下,在辐射较差的正午时段,当传导和对流非辐射传热系数为4.55W/(m·K)的情
况下,涂层表面温度恒低于环境气温,低于气温的平均值为10.49±0.65℃。
纯丙烯酸乳液20份、聚四氟乙烯35份、二氧化硅20份、水15份、分散剂2份、润湿剂2份、消泡
剂2份、流平剂2份、成膜助剂2份。
射率91%,总体太阳反射率为96.82%,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95.12%、98.81%和94.31%。
率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为95.04%、98.37%和93.28%。
可见光光谱反射率和近红外光谱反射率均略有减少,最可能的原因是超疏水/超疏油自清
洁涂层厚度过厚的原因。
2
午时段,当传导和对流非辐射传热系数为5.15W/(m·K)的情况下,涂层表面温度恒低于环
境气温,低于气温的平均值为9.13±0.25℃。较高的太阳反射率,更加晴好的天气和辐射观
察到相对于实施例1较低的低于环境气温的辐射制冷效果的原因是由于较高的传导和对流
非辐射传热系数。
括:纯丙烯酸乳液25份、聚四氟乙烯30份、二氧化硅10份、水28份、分散剂1.4份、润湿剂1.4
份、消泡剂1.4份、流平剂1.4份、成膜助剂1.4份。
射率91.2%,总体太阳反射率为96.86%,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95.12%、98.81%和94.31%。
可见光光谱反射率和近红外光谱反射率分别为94.51%、98.6%和94.18%。
反射率、可见光光谱反射率和近红外光谱反射率均略有减少,最可能的原因是超疏水/超疏
油自清洁涂层厚度过厚的原因。
2
热系数为4.10W/(m·K)的情况下,涂层表面温度恒低于环境气温,低于气温的平均值为
12.41±0.54℃。
可以进行任意组合。比如,如图1还可视为基本例和选择例2的组合,图2也还可视为基本例
和选择例3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。