辐射热控光子材料及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种辐射热控光子材料及制备方法；该材料包括聚合物多孔基体和微纳无机颗粒。该材料在可见近红外波段的平均反射率高达96.7％，在中红外大气窗口波段(8

【技术实现步骤摘要】
辐射热控光子材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及功能复合材料
，具体地，涉及一种辐射热控光子材料及制备方法。

技术介绍

[0002]随着民生发展和人们日益提高的美好生活期望，夏季空间和食物制冷的需求也在不断增长。基于蒸气压缩和流体冷却的传统降温技术需要以大规模化石能源消耗为代价，并造成严重的碳氢化合物、二氧化碳和黑碳排放，是全球气候变暖和城市热岛效应加剧的推手。目前全球估计有36亿个制冷设备处于使用状态，其电力消耗已占全球电力消耗的10～15％。研究表明，1990
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2018年空间制冷产生的CO2排放量增加了两倍多，达到11.3亿吨。而根据联合国环境规划署和国际能源署共同发布的《制冷系统排放和政策综合报告》，全球气候友好型制冷转型将能够在未来40年避免多达4600亿吨温室气体的排放并确保在本世纪末将全球升温控制在1.5℃以内。因此开发新型冷却系统和发展新型冷却材料是减少碳排放、减轻气候恶化和能源消耗的重大挑战。
[0003]辐射热控是一种新兴的无需外界能源输入的有效被动冷却手段。辐射换热是热量交换的主要形式之一，常温下物体辐射的能量主要集中在中红外波段，且大气在8
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13μm波段的红外透明度高，因此地面上物体辐射的热量可以通过该大气透明窗口几乎无损耗地传递到宇宙空间中。考虑到地表温度和宇宙环境背景温度近300℃的温差，宇宙环境可以看作高效稳定的“冷库”为地表物体降温。为了充分实现这种被动式降温，辐射热控材料在最大程度上降低了太阳光吸收量并提高了中红外波段辐射率，使其能够实现低于周围环境空气温度的自身温度。相较于目前主流的制冷系统和制冷材料，辐射热控材料无需能源消耗且碳排放几乎为零，是一种环保且有很大发展潜力的被动冷却方式。与辐射热控材料相关的文献已有报导，例如中国专利CN112342792 A，名称为：“一种具有被动日间辐射冷却功能和特殊浸润性功能织物表面的构筑方法”，该专利的技术特点为提供具有被动日间辐射热控功能和特殊浸润性功能织物表面的构筑方法，采用浸渍法将钛酸钾晶须和聚二甲基硅氧烷与织物表面的微纳结构相结合，能够实现较高的中红外发射率和良好的超疏水性能。但是该技术制备的材料在可见波段反射率低，辐射热控效果需要进一步改善。再如中国专利CN112460836 A，名称是“被动式辐射冷却复合材料薄膜”，该专利的技术特点是提供了金属结合图案化聚二甲基硅氧烷的辐射热控构型，该材料包括由下至上依次设置的平面金属反射层材质为聚二甲基硅氧烷的红外光发射层，并在红外光发射层上表面设置一维或二维微米尺度的光学微结构单元，能够同时实现可见近红外高反射率和中红外高发射率。但是该技术制备成本较高，其大面积制备工艺性需要进一步提高。有如中国专利CN111455484 A，名称是“一种高掺杂辐射制冷复合纤维及其织物的制备方法”，该技术的特点是使用热拉制法制备混合无机微纳颗粒的聚合物纤维，并可以设计纤维的横截面形状和宏观结构以实现良好的辐射热控性能和力学性能。但是该技术在制备过程中能耗大，对不规则表面的应用性有待改善。目前研究的辐射热控材料几乎都是以薄膜或涂层的形式服役，并依附于现有
的基底。在冷链运输和建筑物应用中，具有复杂形状的块体辐射热控材料更符合实际需求，但是相关研究和制备工艺鲜有报导。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种辐射热控光子材料及制备方法，该辐射热控光子材料在太阳光波段具有高反射率以减少能量吸收，同时在中红外波段具有高辐射率以增强辐射换热效率，实现被动降温效果；同时，该辐射热控光子材料采用3D打印技术制备，能够实现复杂三维形状的程序化构筑，针对不同应用场合与需求实现个性化定制。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006]第一方面，本专利技术涉及一种辐射热控光子材料，由微纳无机颗粒镶嵌于多孔聚合物基体中构成，所述微纳无机颗粒选自氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化锌、氮化硼、氧化钇、氧化钛中的一种或多种，直径为50nm～20μm，所述聚合物为聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、丙烯腈
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丁二烯
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苯乙烯、聚已酸内酯中的一种，所述多孔的平均孔径范围为0.5～5μm。
[0007]本专利技术所选用的材料在太阳光波段(0.3～2.5μm)具有极低的消光系数，以保证太阳光吸收量最少。聚合物多孔基体具有很强的光散射效率和较低的光子平均传输路径，能够实现非常高的可见近红外反射率。同时，所选用聚合物由于丰富的官能团共振模式在中红外(2.5～20μm)具有多重吸收峰，能够实现较高的中红外发射率。加入微纳无机颗粒可以进一步利用其声子极化共振模提高整体结构的红外发射率，并且保持可见近红外波段的高反射率。所选用的聚合物还可以提供良好的力学性能以实现整个光子结构的自支撑。
[0008]第二方面，本专利技术还涉及一种前述的辐射热控光子材料的3D打印制备方法，所述3D打印制备方法包括以下步骤：
[0009]S1、将聚合物、制孔剂和微纳无机颗粒混合于聚合物溶剂中配置前驱体溶液，用作打印墨水；
[0010]S2、配置聚合物溶剂和非溶剂的混合溶液，用作凝固浴；
[0011]S3、将所述打印墨水置于3D打印设备中，利用气压挤出墨水，将针头沉到所述凝固浴液面以下，利用G
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code代码控制针头的程序化移动，挤出打印纤维并堆砌为三维打印结构；
[0012]S4、将所述三维打印结构在所述凝固浴中放置0.5～2h，随后常温干燥得到所述的辐射热控光子材料。
[0013]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，所述聚合物的质量分数为10％
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40％，所述聚合物溶剂是N，N
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二甲基甲酰胺、丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、乙酰基二甲胺和二甲基亚砜中的一种。聚合物浓度在如上范围内有利于溶液保持较好的粘度，并避免在3D打印过程中的坍塌。
[0014]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，所述制孔剂的质量分数为1％
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10％，所述制孔剂是聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、氯化锂、硫酸钠和甲基纤维素中的一种或多种，制孔剂作用是调节基体孔径分布和孔隙率，使多孔基体具有最优的可见近红外反射率。
[0015]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，所述微纳无机颗粒的质量分数为2％
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30％，微纳无机颗粒的质量分数在上述范围内有利于进一步增强辐射热控光子材料的辐射率，同时保证整体结构具有一定的力学强度。
[0016]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S2中，所述非溶剂是去离子水、乙醇、甲醇和丙醇中的一种或多种，所述凝固浴中聚合物溶剂的体积百分比为0～70％，聚合物溶剂在上述比例范围内有利于改善打印纤维的表面形貌，使三维打印结构中的孔径分布更加均匀。
[0017]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S3中，3D打印设备的打印喷头的尖端直径为100μm～600μm，打印气压为0.05～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种辐射热控光子材料，其特征在于，包括聚合物多孔基体和微纳无机颗粒；所述聚合物为聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、丙烯腈
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丁二烯
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苯乙烯、聚已酸内酯中的任一种，所述多孔的平均孔径范围为0.5～5μm；所述微纳无机颗粒选自氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化锌、氮化硼、氧化钇、氧化钛中的任一种或任多种，所述微纳无机颗粒的直径为50nm～20μm。2.一种权利要求1所述的辐射热控光子材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将聚合物、制孔剂和微纳无机颗粒混合于聚合物溶剂中配置前驱体溶液，用作打印墨水；S2、配置聚合物溶剂和非溶剂的混合溶液，用作凝固浴；S3、将所述打印墨水置于3D打印设备中，利用气压挤出墨水，将针头沉到所述凝固浴液面以下，控制针头的移动，挤出打印纤维并堆砌为三维打印结构；S4、将所述三维打印结构在所述凝固浴中放置0.5～2h，随后进行干燥得到所述的辐射热控光子材料。3.根据权利要求2所述的辐射热控光子材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述聚合物的质量分数为10％
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40％。4.根据权利要求2所述的辐射热控光子材料的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周涵，刘向辉，王惠芬，刘刚，范同祥，
申请(专利权)人：上海卫星装备研究所，
类型：发明
国别省市：