一种具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料及其制备方法、应用

1.本发明涉及日间辐射制冷技术领域，尤其是一种具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料及其制备方法、应用。


背景技术：

2.全球变暖以及能源问题的日益凸显，而制冷需求却在迅猛增加，因此寻找新型降温途径迫在眉睫。辐射制冷为节能冷却方式的一种，可结合水循环等降温方式，实现显著缓解能源消耗。
3.目前已有的日间辐射制冷材料多为红外宽波段高发射材料，不具备8～13μm高发射，其他波段高反射的光谱选择性，易接受大气辐射输入能量，造成辐射制冷性能下降。超材料及复合材料不易于规模化简易制备。


技术实现要素：

4.本发明提供一种具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料及其制备方法、应用，用于克服现有技术中光谱选择性不佳、制备工艺复杂等缺陷。
5.为实现上述目的，本发明提出一种具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料，由保护层和辐射制冷功能层组成，所述保护层涂覆在所述辐射制冷功能层表面；
6.所述保护层由高分子类成膜物质制备而成；
7.所述辐射制冷功能层由氧化物块体材料制备而成，所述氧化物块体材料由无机氧化物制备而成，所述无机氧化物为氧化镁、氧化钡、氧化锆、氧化铈、氧化锌、氧化铝和氟化锂中的至少一种。
8.为实现上述目的，本发明还提出一种如上述所述的具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的制备方法，包括以下步骤：
9.s1：称取无机氧化物，湿法球磨，干燥后过筛，干压成型，烧结，得到氧化物块体材料；
10.s2：称取高分子类成膜物质，加去离子水混合成浆，涂覆在所述氧化物块体材料表面，流平后烘干，得到日间辐射制冷块体材料。
11.为实现上述目的，本发明还提出一种具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的应用，将上述所述的日间辐射制冷块体材料或者上述所述的制备方法制备得到的日间辐射制冷块体材料应用在建筑、冷凝制水和温差发电中。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果有：
13.1、本发明提供的具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料，由保护层和辐射制冷功能层组成，保护层涂覆在所述辐射制冷功能层表面；保护层由高分子类成膜物质制备而成；辐射制冷功能层由氧化物块体材料制备而成，氧化物块体材料由无机氧化物制备而成，无机氧化物为氧化镁、氧化钡、氧化锆、氧化铈、氧化锌、氧化铝和氟化锂中的至少一种。本
发明的日间辐射制冷块体材料在太阳光谱波段反射率超过95％，在8～13μm大气窗口波段高发射率，在2.5～8μm和13～25μm波段反射率较高。这是由于块体材料表面晶粒尺寸大使得剩余反射带强度高，13～25μm波段反射率高，同时孔隙作为散射中心增强了对太阳光谱的反射。因此，本发明的日间辐射制冷块体材料在太阳光谱波段具有高反射率，同时兼具8～13μm大气窗口高发射率，可将物体的热量以红外波的形式发射到温度～-270℃的太空，且完全自发，无需外界能量输入。因此，本发明的日间辐射制冷材料对太阳辐射、大气逆辐射的吸收较少，可实现较好的制冷效果。
14.2、本发明提供的具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的制备方法工艺简单，周期短，成本低，适用于大批量生产。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
16.图1为本发明提供的具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的结构图；
17.图2为实施例1中辐射制冷功能层表面形貌图；
18.图3为实施例1具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的光谱吸收(发射)率曲线图。
19.附图标号说明：1保护层；2：辐射制冷功能层。
20.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
23.无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
24.本发明提出一种具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料，如图1所示，由保护层1和辐射制冷功能层2组成，所述保护层1涂覆在所述辐射制冷功能层2表面；
25.所述保护层1由高分子类成膜物质制备而成；
26.所述辐射制冷功能层2由氧化物块体材料制备而成，所述氧化物块体材料由无机氧化物制备而成，所述无机氧化物为氧化镁、氧化钡、氧化锆、氧化铈、氧化锌、氧化铝和氟化锂中的至少一种。
27.色散关系表明，由于表面声子极化激元效应，一些离子晶体在红外存在不能通过晶体传播的频带，被称为剩余反射带(restrahlen band)。通过保留一定体积大小孔隙可增
强对太阳光的反射。基于此，本发明通过氧化物剩余反射带的光学特性可以实现利用单一材料满足8～13μm高发射，其他波段高反射的光谱选择性。
28.优选地，所述日间辐射制冷块体材料的孔隙率为2.5～3％，孔径主要分布约100nm，晶粒粒径≥5μm。
29.优选地，所述无机氧化物的中位径为0.5～1μm
30.优选地，所述辐射制冷功能层的厚度为2～4mm。厚度太小，烧结易形变，同样工艺制备的厚度小致密度高，太阳光谱、8～13微米透过率高。厚度过大，需进行等静压处理，如不经过等静压处理则会致密度低，剩余反射带强度降低。
31.优选地，所述辐射制冷功能层的厚度为2～3mm。
32.优选地，所述保护层的厚度为8～45μm。太厚或者太薄都会影响光透过率。
33.优选地，所述保护层的厚度为10～20μm。
34.优选地，所述高分子类成膜物质为聚氧化乙烯、水性聚氨酯和聚偏氟乙烯-六氟丙烯中的一种。选择的成膜物质成膜性好，太阳光谱、红外透过率高，高环保。
35.优选地，所述氧化物块体材料由氧化镁制备而成。使用纯氧化镁制备得到的辐射制冷功能层制冷性能更佳。
36.本发明还提出一种如上述所述的具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的制备方法，包括以下步骤：
37.s1：称取无机氧化物，湿法球磨，干燥后过筛，干压成型，烧结，得到氧化物块体材料。
38.湿法球磨以使粉体粒径达到亚微米级。
39.s2：称取高分子类成膜物质，加去离子水混合成浆，涂覆在所述氧化物块体材料表面，流平后烘干，得到日间辐射制冷块体材料。
40.优选地，所述湿法球磨的磨球、原料、溶剂的比例为1：1：1，溶剂为无水乙醇，球磨后得到粉体的中位径为0.5～1μm；
41.所述干压成型的压强范围40～55mpa；
42.所述烧结为无压烧结或者热压烧结；所述无压烧结为在空气气氛下以10℃/min的升温速度升至1500℃，在1500℃下保温0.5h，以10℃/min的降温速度从1500℃降至800℃后随炉降至室温；所述热压烧结的压力范围为30～50mpa，温度范围为800～1000℃，热压烧结时间为0.5h。热压烧结是将粉体置于模腔中，单轴方向加压同时进行加热的一种烧结方式。
43.本发明还提出一种具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的应用，将上述所述的日间辐射制冷块体材料或者上述所述的制备方法制备得到的日间辐射制冷块体材料应用在建筑、冷凝制水和温差发电中。
44.实施例1
45.本实施例提供一种具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料，由保护层和辐射制冷功能层组成，保护层涂覆在辐射制冷功能层表面。
46.保护层为10μm厚的聚氧化乙烯。
47.辐射制冷功能层为3.31mm的高致密氧化镁块体。氧化镁粉末的纯度为99％。
48.本实施例中日间辐射制冷块体材料的孔隙率为2.5～3％，孔径主要分布约100nm，晶粒粒径为≥5μm。
49.图2为本实施例中辐射制冷功能层表面形貌图，由图可知，晶粒尺寸超过5μm。
50.图3为本实施例中具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的光谱吸收(发射)率曲线图，由图可知，试样具有光谱选择性，在8～13μm高发射，太阳光谱、13～25μm高反射。本实施例中日间辐射制冷块体材料在太阳光谱波段反射率(0.25～2.5μm)＞95％，在8～13μm大气窗口发射率＞90％，在13～25μm反射率约30％。
51.本实施例还提供一种上述所述具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的制备方法，包括以下步骤：
52.s1：称取24g纯度99％、中位径为4.483μm的氧化镁粉末，湿法球磨4h(采用直径3mm、8mm的玛瑙球，级配为1：1)，经干燥过筛得到中位径0.738μm的氧化镁粉末。经50mpa干压成型，置于鼓风干燥箱于100℃经24h干燥，放入马弗炉中在空气气氛下以10℃/min的升温速度升至1500℃，保温0.5h，以10℃/min的降温速度降至800℃后随炉降至室温，得到氧化镁块体材料；
53.s2：称取1g聚氧化乙烯，加入9g去离子水，加入少量疏水剂，超声2h得到聚氧化乙烯分散液，涂覆在所述氧化镁块体材料表面，流平后烘干，得到日间辐射制冷块体材料。
54.实施例2
55.本实施例提供一种具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料，由保护层和辐射制冷功能层组成，保护层涂覆在辐射制冷功能层表面。
56.保护层为45μm厚的水性聚氨酯。
57.辐射制冷功能层为4mm的高致密氧化锌块体。氧化锌粉末的纯度为99％。
58.本实施例中日间辐射制冷块体材料的孔隙率为2.5～3％，孔径主要分布约100nm，晶粒粒径为≥5μm。
59.本实施例还提供一种上述所述具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的制备方法，包括以下步骤：
60.s1：称取24g纯度99％、中位径为4.750μm的氧化锌粉末，湿法球磨3.5h(采用直径3mm、8mm的玛瑙球，级配为1：1)，经干燥过筛得到中位径1.0μm的氧化锌粉末。经55mpa干压成型，置于鼓风干燥箱于100℃经24h干燥，放入马弗炉中在空气气氛下以10℃/min的升温速度升至1500℃，保温0.5h，以10℃/min的降温速度降至800℃后随炉降至室温，得到氧化锌块体材料；
61.s2：称取1g水性聚氨酯，加入9g去离子水，加入少量疏水剂，超声2h得到聚氨酯分散液，涂覆在所述氧化锌块体材料表面，流平后烘干，得到日间辐射制冷块体材料。
62.实施例3
63.本实施例提供一种具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料，由保护层和辐射制冷功能层组成，保护层涂覆在辐射制冷功能层表面。
64.保护层为8μm厚的水性聚氨酯。
65.辐射制冷功能层为2mm的高致密氧化铝块体。氧化铝粉末的纯度为99％。
66.本实施例中日间辐射制冷块体材料的孔隙率为2.5～3％，孔径主要分布约100nm，晶粒粒径为≥5μm。
67.本实施例还提供一种上述所述具有光谱选择性的日间辐射制冷块体材料的制备方法，包括以下步骤：
68.s1：称取24g纯度99％、中位径为5.123μm的氧化铝粉末，湿法球磨4.2h(采用直径3mm、8mm的玛瑙球，级配为1：1)，经干燥过筛得到中位径1.0μm的氧化铝粉末。经40mpa干压成型，置于鼓风干燥箱于100℃经24h干燥，最后在40mpa条件下900℃热压烧结0.5h，得到氧化铝块体材料；
69.s2：称取1g聚偏氟乙烯-六氟丙烯，加入9g去离子水，加入少量疏水剂，超声2h得到聚偏氟乙烯-六氟丙烯分散液，涂覆在所述氧化铝块体材料表面，流平后烘干，得到日间辐射制冷块体材料。
70.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。