一种辐射降温薄膜、其制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种辐射降温薄膜，薄膜为陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂混合形成的陶瓷颗粒混合有机固化前驱液固化后形成，所述薄膜的表面形成有微纳米光子结构阵列，微纳米光子结构阵列包括若干个呈阵列的微纳米光子的结构基元。还公开了辐射降温薄膜的制备方法及其应用。该薄膜在太阳光波段具有95％的反射率，在大气窗口波段具有96％的辐射率，光照条件下最多可比周围环境低10℃，且同时具备较好的柔性与强度及优异的疏水性。采用多刻蚀双旋涂真空热固化工艺低成本大面积地制备该辐射冷却薄膜。该辐射冷却薄膜在人体可穿戴降温、可降温晴雨伞以及器件散热方面的应用，通过热辐射形式从主体表面及内部除去热量实现降温的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种辐射降温薄膜、其制备方法及其应用
本专利技术属于功能复合材料
，特别涉及一种辐射降温薄膜、其制备方法及其应用。
技术介绍
随着人们生活水平的提高以及城市化建设的发展，对于冷却技术以及冷却设备方面产生了巨大的需求。常用的冷却设备依靠蒸汽压缩制冷系统实现降温效果，如冰箱以及空调等。然而这些冷却设备不仅会消耗大量的能源，同时制冷剂(如氢氟烃)的使用会造成全球变暖效应影响，这又会进一步对环境产生严重危害。由于制冷技术绝大多数是通过消耗不可再生的化石资源，实际上产生更多的热积累，使得地球变得更加炎热。因而制冷设备在运行过程中产生的大量的热量会加剧温室效应以及城市热岛效应。研究表明，冷却系统消耗了全球15％的电力，引起10％的温室气体排放。每降低1℃，可以节省3-5％的电力。而由于全球变暖、人口增长、工业发展等原因，21世纪世界范围内对制冷和空调的能源需求急剧增加。到2050年，人类对于制冷的需求将增长十倍，因此，对能源形势和环境问题的日益关注，使人们需要尽快做出应对策略，以提高现有冷却系统的效率和寻求新的替代冷却技术。因而开发新型制冷系统这将是新世纪的重大挑战。辐射制冷利用透明大气窗口向外太空辐射热量，在理想气候条件下，辐射冷却可以实现将近70％的能源节省。相较于传统的冷却器件，辐射冷却器件不需要外界任何的供能装置，无需耗电耗能，且无CO2等温室气体及其他有害物的排放，产生净冷却效应。既节约能源又没有污染，符合当今可持续发展的趋势，是一种绿色环保的被动式制冷方式。辐射冷却效果的实现主要是基于以下两个方面：首先，对流层的平均温度一般在250K左右，全年大部分地区的平均温度都远低于该温度，并且大气层之外的宇宙微波背景的热黑体辐射在2.7K左右，因此这两者可以作为地球上的辐射冷却器件散热的“冷却库”。其次，地球的大气层在波长范围8-13μm的中红外波段的透过率很高，称之为透明大气窗口。透明大气窗口允许物体通过该波段的热辐射与“冷却库”进行热量交换。围绕着辐射冷却器件有不少的文献报道，如中国专利CN107923718A，名称为“用于辐射冷却和加热的系统和方法”，该专利的技术特点在于提供用于辐射冷却和加热的系统和方法，例如，用于辐射冷却的系统可以包括顶层，所述顶层包括一种或多种聚合物，其中所述顶层在至少一部分热谱中具有高的发射率和在至少一部分太阳光谱中具有近似为零的电磁消光系数、近似为零的吸收率以及高的透射率，并且进一步地包括反射层，所述反射层包括一种或多种金属，其中所述反射层在至少一部分太阳光谱中具有高的反射率。但是该技术制备较为复杂，成本较高，且辐射冷却效果仍需要进一步提升。再如中国专利CN109070695A，名称为“辐射冷却结构和系统”，该专利的技术特点为提供了聚合物基的选择性辐射冷却结构，该辐射冷却结构包括聚合物或聚合物基复合材料的选择性发射层。典型选择性辐射冷却结构采取薄片、膜或涂层的形式。但是该技术难以同时获得较高的可见-近红外反射率与大气窗口辐射率，同时，该方法的单层材料难以同时满足可见近红外的反射率以及红外发射率的共同提高，因此，需要陶瓷材料层来提高中红外辐射率，需要金属层增大可见近红外波段的反射率，制备要求较为复杂。
技术实现思路
本专利技术提供一种辐射降温薄膜，利用薄膜自身高反射率从而减少对于太阳光的吸收，同时通过向外界进行热辐射的形式，去除主体多余的热量，实现被动降温的效果；本专利技术还提供一种辐射降温薄膜的制备方法，利用多刻蚀微纳加工、及旋涂、固化，制备具有微纳光子结构的有机-无机复合辐射冷却薄膜，构筑表面微纳光子结构，并且可以制备出低成本大面积的复合辐射冷却薄膜，有较强的普适性。本专利技术的技术方案如下：一种辐射降温薄膜，薄膜的原料包括陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂，所述陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂混合形成陶瓷颗粒混合有机固化前驱液，所述薄膜为所述陶瓷颗粒混合有机固化前驱液固化后形成，所述薄膜的表面形成有微纳米光子结构阵列，微纳米光子结构阵列包括若干个呈阵列的微纳米光子的结构基元，在薄膜表面构成均匀阵列结构。优选的，所述微纳米光子结构阵列的结构基元形貌为金字塔形结构、棱形结构、圆锥结构、倒金字塔结构、倒棱形结构、倒圆锥结构中的一种或几种，所述结构基元特征宽度在0.5μm至20μm，特征高度在0.5μm至20μm；所述薄膜的厚度为100μm至2000μm。优选的，所述陶瓷颗粒选自氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化镁、氮化硼、氧化钇、氧化钛中的一种或多种。优选的，所述陶瓷颗粒的平均粒径为0.2-10微米，所述陶瓷颗粒形貌为角形、类球形、球形中的一种或几种，所述陶瓷颗粒在陶瓷颗粒混合有机固化前驱液中的质量分数占比在5％-80％。优选的，所述有机溶液为有机聚合物，所述有机聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚氯乙烯中的一种；所述固化剂使得陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂混合形成的陶瓷颗粒混合有机固化前驱液在加热或长时间静置条件下固化，所述固化剂包括树脂。优选的，所述固化剂与陶瓷颗粒混合有机固化前驱液的质量之比为1：5至1：20。本专利技术还提供一种辐射降温薄膜的制备方法，制备上述辐射降温薄膜，包括以下步骤：步骤S1，将所述陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂混合制备陶瓷颗粒混合有机固化前驱液；步骤S2：将多刻蚀微纳加工过后的模板放置在匀胶机转盘上，并连通真空泵，使得模板能够被匀胶机转盘吸附住；步骤S3：将步骤S1的陶瓷颗粒混合有机固化前驱液涂覆于模板之上，通过匀胶机将陶瓷颗粒混合有机固化前驱液均匀旋涂至模板上；步骤S4：将均匀涂覆有陶瓷颗粒混合有机固化前驱液的模板至于加热板上进行升温固化，随后冷却至室温；步骤S5：将固化之后的具有微纳光子结构的有机-无机复合辐射降温薄膜从多刻蚀微纳加工的模板上剥离下来，得到辐射降温薄膜。优选的，还包括以下步骤：步骤S6：重复上述步骤S1至S5，制备多片具有微纳光子结构的有机-无机复合辐射降温薄膜，并通过裁剪紧密平铺在平整的板材上；步骤S7：将陶瓷颗粒混合有机固化前驱液涂敷于上述平铺的薄膜之上，进行第二次旋涂；步骤S8：将上述覆有陶瓷颗粒混合有机固化前驱液的板材置于加热板上进行升温固化，随后冷却至室温；步骤S9：将固化之后形成的大面积微纳光子结构的有机-无机复合辐射冷却薄膜从模板上剥离下来，得到大面积的辐射降温薄膜。优选的，所述步骤S1形成陶瓷颗粒混合有机固化前驱液包括以下步骤：步骤S11：将陶瓷颗粒置入有机溶液中，并通过充分搅拌将二者混合均匀；所述陶瓷颗粒从氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化镁、氮化硼、氧化钇和氧化钛白色粉末中选择一种或几种，所述有机溶液为有机聚合物，所述有机聚合物从聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚氯乙烯透明溶液的组分中选择一种；步骤S12：向步骤S11得到的溶液中加入固化剂，进行搅拌使其混合均匀；步骤S13：将步骤S12得到的溶液至于真空干燥箱，抽真空将溶液中空气排出，使溶液中最终无气泡冒出；步骤S14：打开真空箱的通气阀，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种辐射降温薄膜，其特征在于，薄膜的原料包括陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂，所述陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂混合形成陶瓷颗粒混合有机固化前驱液，所述薄膜为所述陶瓷颗粒混合有机固化前驱液固化后形成，所述薄膜的表面形成有微纳米光子结构阵列，微纳米光子结构阵列包括若干个呈阵列的微纳米光子的结构基元。/n

【技术特征摘要】
1.一种辐射降温薄膜，其特征在于，薄膜的原料包括陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂，所述陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂混合形成陶瓷颗粒混合有机固化前驱液，所述薄膜为所述陶瓷颗粒混合有机固化前驱液固化后形成，所述薄膜的表面形成有微纳米光子结构阵列，微纳米光子结构阵列包括若干个呈阵列的微纳米光子的结构基元。


2.根据权利要求1所述的辐射降温薄膜，其特征在于，所述微纳米光子结构阵列的结构基元形貌为金字塔形结构、棱形结构、圆锥结构、倒金字塔结构、倒棱形结构、倒圆锥结构中的一种，所述结构基元特征宽度在0.5μm至20μm，特征高度在0.5μm至20μm；所述薄膜的厚度为100μm至2000μm。


3.根据权利要求1所述的辐射降温薄膜，其特征在于，所述陶瓷颗粒选自氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化镁、氮化硼、氧化钇、氧化钛中的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的辐射降温薄膜，其特征在于，所述陶瓷颗粒的平均粒径为0.2-10微米，所述陶瓷颗粒形貌为角形、类球形、球形中的一种或几种，所述陶瓷颗粒在陶瓷颗粒混合有机固化前驱液中的质量分数占比在5％-80％。


5.根据权利要求1所述的辐射降温薄膜，其特征在于，所述有机溶液为有机聚合物，所述有机聚合物选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚氯乙烯中的一种；所述固化剂使得陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂混合形成的陶瓷颗粒混合有机固化前驱液在加热或长时间静置条件下固化，所述固化剂包括树脂。


6.根据权利要求1所述的辐射降温薄膜，其特征在于，所述固化剂与陶瓷颗粒混合有机固化前驱液的质量之比为1：5至1：20。


7.一种辐射降温薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，将所述陶瓷颗粒、有机溶液、固化剂混合制备陶瓷颗粒混合有机固化前驱液；
步骤S2：将多刻蚀微纳加工过后的模板放置在匀胶机转盘上，并连通真空泵，使得模板能够被匀胶机转盘吸附住；
步骤S3：将步骤S1的陶瓷颗粒混合有机固化前驱液涂覆于模板之上，通过匀胶机将陶瓷颗粒混合有机固化前驱液均匀旋涂至模板上；
步骤S4：将均匀涂覆有陶瓷颗粒混合有机固化前驱液的模板至于加热板上进行升温固化，随后冷却至室温；
步骤S5：将固化之后的具有微纳光子结构的有机-无机复合辐射降温薄膜从多刻蚀微纳加工的模板上剥离下来，得到辐射降温薄膜。


8.根据权利要求7所述的辐射降温薄膜的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤S6：重复上述步骤S1至S5，制备多片具有微纳光子结构的有机-无机复合辐射降温薄膜，并通过裁剪紧密平铺在平整的板材上；
步骤S7：将陶瓷颗粒混合有机固化前驱液涂敷于上述平铺的薄膜之上，进行第二次旋涂；
步骤S8：将上述覆有陶瓷颗粒混合有机固化前驱液的板材置于加热板上进行升温固化，随后冷却至室温；
步骤S9：将固化之后形成的大面积微...

【专利技术属性】
技术研发人员：周涵，张海文，钱珍莉，范同祥，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31