一种用于增加基底表面大气冷凝的复合涂层制造技术

提供了暴露于天空时被动冷却的复合涂层。复合涂层适用于增加基底表面上的大气冷凝。特别是，复合涂层可适用于捕获大气水。还提供了制备复合涂层的方法、用复合涂层涂覆基底表面的方法、冷凝和收集大气水的方法以及收集冷凝的大气水的系统。的大气水的系统。的大气水的系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用于增加基底表面大气冷凝的复合涂层


[0001]本公开涉及一种当暴露于天空中会被动冷却的复合涂层，其适用于增加基底表面的大气冷凝。特别是，该复合涂层可适用于捕获大气水分。

技术介绍

[0002]稳定、可持续的清洁水源供给是本世纪最重要的全球挑战之一。对于澳大利亚这个最干旱的大陆之一来说，这一点尤为重要，因为干旱会影响整个社会和生态系统。从二十世纪九十年代末期开始的千禧年干旱的支出估计为400亿美金。尽管海水淡化能够补充长期干旱时的水消耗，但这个方法是能源密集型的，且需要高的资本投入。开发一种新的可持续的水资源将有助于缓解未来的水短缺。
[0003]从湿润的环境空气或者大气水捕获(AWC)中获取水分为传统的水获取方式提供了一种替代方法。水分可以通过多种方式从空气中得到。AWC技术如果成功地大规模开发，可能会通过支撑生计和农业，特别是偏远地区的生计和农业，而带来极大的、可持续性的经济与环境影响。该技术能提供饮用水给人类、家畜以及野生动物，并有潜力提高温室和其他园艺环境中的灌溉用水效率以及水密集型作物例如棉花的用水效率。
[0004]本领域内目前已知的最常见的AWC方法是(i)冷凝，即将空气冷却到低于其露点，或者(ii)通过干燥剂吸收。然而，这些方法基本都需要外部能源，以在冷凝技术中提供主动冷却或者从干燥剂中驱动捕获水进行收集。
[0005]尽管已进行了各种科学尝试，以实现具有社会影响的AWC规模，但存在两个突出的科学挑战限制了它的使用：(1)水只能在冷的表面冷凝，这需要持续的能量供给；和(2)为了收集大量的水，收集装置需要覆盖大面积(即若干平方米及以上)。
[0006]因此，需要开发用于AWC的材料，其能够为表面提供被动冷却，且能够以经济高效的方式适用于制造大规模的收集区域。这些材料还应提供增加的或改进的表面大气水收集。同时也需要开发一些表面，以促进其他应用中的例如海水淡化中的水的冷凝。也需要开发一些表面，以通过使用太阳能电池来提供给表面额外的冷却动力从而实现其的主动冷却，且因此提高了水的收集量。此外，需要使用更少的能量来冷却炎热环境中的结构，比如建筑物，和/或通过使用功能性涂层来提高结构的冷却效率。
[0007]本公开解决了上述一项或者多项需求。
[0008]说明书中对任何现有技术的引用不表示承认或暗示该现有技术构成任何司法管辖范围内的公知常识的一部分或者能够被本领域技术人员合理地理解，认为相关，和/或与其他现有技术结合。

技术实现思路

[0009]本公开描述了一种新型的复合涂层，该复合涂层提高了基底表面大气冷凝。该新型复合涂层即使在白天也能表现出低于环境的表面冷却。此外，该新型复合涂层具有水滴成核的性能，可适用于大气水捕获的应用。
[0010]根据本公开的第一方面，提供了一种用于提高基底表面大气冷凝的复合涂层，其中该复合涂层包括：疏水聚合物；以及其中该复合涂层包括多个内含物。
[0011]在一些实施方案中，内含物包括空隙。在一些实施方案中，复合涂层具有约20％或更大的空隙体积百分比。
[0012]在一些实施方案中，疏水聚合物包括含氟聚合物、有机硅氧烷、或者它们的混合物。在一些实施方案中，疏水聚合物包括PVDF
‑
HFP、PDMS、或它们的混合物。疏水聚合物可以，例如包括PDMS或者改性的PDMS。
[0013]在一些实施方案中，复合涂层还包括亲水物质。亲水物质包括一种或多种无机颗粒和亲水聚合物。
[0014]无机颗粒可包括二氧化硅颗粒。二氧化硅颗粒可包括直径为约0.25微米至约20微米的多分散的二氧化硅纳米/微
‑
颗粒。二氧化硅颗粒可包括平均直径为约0.25微米至约8微米的单分散的二氧化硅微纳颗粒。
[0015]亲水聚合物可包括聚丙烯酸酯、聚酯和聚醚中的一种或多种。亲水聚合物可包括PMMA和PEG中的一种或多种。
[0016]在一些实施方案中，复合涂层还包括一种或多种表面改性剂，该一种或多种表面改性剂包括聚氨酯、聚苯乙烯和硅烷中的一种或多种。
[0017]在一些实施方案中，复合涂层包括至少两层，其中外层包括一种或多种表面改性剂，该一种或多种表面改性剂包括有机硅氧烷、聚氨酯、含氟聚合物、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯和硅烷。一种或多种表面改性剂可包括PDMS、PVDF、PMMA、烷基硅烷和卤代烷基硅烷中的一种或多种。
[0018]在一些实施方案中，复合涂层的表面包括疏水和亲水区域，和/或形貌凸起。
[0019]根据本公开的复合涂层提供以下优势中的一种或多种：相对于没有涂层的基底，当复合涂层涂覆在基底上并暴露于天空中时，可以提供增强的冷却效果。复合涂层可使冷凝的大气水以低的倾斜角度，例如与水平方向的倾斜角度小于20
°
，容易地从表面滚落。
[0020]根据本公开的第二个方面，提供了一种液态复合涂层，该液态复合涂层包括根据本文所公开的实施方案中的任何一种复合涂层和：溶剂，其能够基本上溶解疏水聚合物；和非溶剂，疏水聚合物在其中不溶，或仅微溶。
[0021]疏水聚合物与溶剂的质量比可为约1:10至约1:5。溶剂与非溶剂的质量比可为约10:1至约5:1。
[0022]非溶剂可包括水。
[0023]溶剂可包括与水混溶的有机溶剂。上述与水混溶的有机溶剂在20℃时可有比水更高的蒸气压。上述与水混溶的有机溶剂可包括丙酮、四氢呋喃和1,3
‑
二氧戊环中的一种或多种。
[0024]在一些实施方案中，N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮可作为溶解性调节剂被添加到液态复合
涂层。
[0025]在一些实施方案中，复合涂层包括：PVDF
‑
HFP，包括5％(w/w)至35％(w/w)的HFP；以及可选地二氧化硅纳米/微
‑
颗粒；N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮；聚氨酯、PVDF、PMMA、聚苯乙烯、PDMS、或它们的组合；中的一种或多种；和一种或多种卤代烷基硅烷；其中上述复合涂层包括多个空隙，并且具有约20％或者更多的空隙体积占比。在一些实施方案中，上述空隙体积占比为约50％或更多。在一些实施方案中，上述涂层的表面包括疏水和亲水区域和/或形貌凸起。
[0026]在一些实施方案中，液态复合涂层包括：PVDF
‑
HFP，包括5％(w/w)至35％(w/w)的HFP；水；丙酮、1,3
‑
二氧戊环和四氢呋喃中的一种或多种；和可选地二氧化硅微球；N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮；PMMA中的一种或多种；和一种或多种卤代烷基硅烷；其中PVDF
‑
HFP和PMMA与丙酮、1,3
‑
二氧戊环、四氢呋喃或它们的组合与水在上述液态复合涂层中的质量比例为约10
±
2:80
±
10:10
±
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种复合涂层，用于增加基底表面的大气冷凝，其中所述复合涂层包括：一种或多种疏水聚合物；以及其中所述复合涂层包括多个内含物。2.如权利要求1所述的复合涂层，所述内含物包括空隙。3.如权利要求2所述的复合涂层，所述空隙的体积占比为约20％或更高。4.如权利要求1至3中任一项所述的复合涂层，其中所述疏水聚合物包括含氟聚合物、有机硅氧烷或两者的混合物。5.如权利要求4所述的复合涂层，其中所述疏水聚合物包括PVDF
‑
HFP、PDMS或两者的混合物。6.如权利要求1至5中任一项所述的复合涂层，还包括一种或多种亲水物质。7.如权利要求6所述的复合涂层，其中所述亲水物质包括无机颗粒和亲水聚合物中的一种或多种。8.如权利要求7所述的复合涂层，其中所述无机颗粒包括二氧化硅颗粒。9.如权利要求8所述的复合涂层，其中所述二氧化硅颗粒包括直径为约0.25微米至约20微米的多分散的二氧化硅纳米/微颗粒。10.如权利要求8所述的复合涂层，其中所述二氧化硅颗粒包括平均直径为约0.25微米至约8微米的单分散的二氧化硅纳米/微颗粒。11.如权利要求7所述的复合涂层，其中所述亲水聚合物包括聚丙烯酸酯、聚酯和聚醚中的一种或多种。12.如权利要求11所述的复合涂层，其中所述亲水聚合物包括PMMA和PEG中的一种或多种。13.如权利要求1至12中任一项所述的复合涂层，还包括一种或多种表面改性剂，所述一种或多种表面改性剂选自由聚氨酯、聚苯乙烯和硅烷组成的组。14.如权利要求1至13中任一项所述的复合涂层，其中所述复合涂层是厚度为50至200微米的层。15.如权利要求1至14中任一项所述的复合涂层，其中所述复合涂层包括至少两层，其中外层包括一种或多种表面改性剂，所述一种或多种表面改性剂包括有机硅氧烷、聚氨酯、含氟聚合物、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯和硅烷。16.如权利要求15所述的复合涂层，其中所述外层的厚度为至少500纳米。17.如权利要求15或16所述的复合涂层，其中所述一种或多种表面改性剂包括PDMS、PVDF、PMMA、烷基硅烷和卤代烷基硅烷中的一种或多种。18.如权利要求1至17中任一项所述的复合涂层，其中涂层的表面包括疏水和亲水区域和/或形貌凸起。19.一种液态复合涂层，包括如权利要求1至14或18中任一项所述的复合涂层；溶剂，其能基本上溶解疏水聚合物；和非溶剂，疏水聚合物不溶或微溶于其中。20.如权利要求19所述的液态复合涂层，其中所述疏水聚合物与所述溶剂的质量比为约1:10至约1:5。21.如权利要求19或20所述的液态复合涂层，其中所述溶剂与所述非溶剂的质量比为
约10:1至约5:1。22.如权利要求19至21中任一项所述的液态复合涂层，其中所述非溶剂包括水。23.如权利要求19至22中任一项所述的液态复合涂层，其中所述溶剂包括与水混溶的有机溶剂。24.如权利要求23所述的液态复合涂层，其中所述与水混溶的有机溶剂在20℃具有比水更高的蒸汽压。25.如权利要求23或24所述的液态复合涂层，其中所述与水混溶的有机溶剂包括丙酮、四氢呋喃和1,3
‑
二氧戊环中的一种或多种。26.如权利要求19至25中任一项所述的液态复合涂层，还包括N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮。27.一种如权利要求19至26中任一项所述的液态复合涂层的制备方法，包括：将疏水聚合物、可选的亲水物质和表面改性剂，以及溶剂混合在一起以形成混合物，其中所述溶剂能至少部分溶解所述疏水聚合物；和向所述混合物中加...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：悉尼大学，
类型：发明
国别省市：