一种辐射降温涂层制备及其成型方法与流程

本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种辐射降温涂层及其成型方法。

背景技术：

能源危机是人类面临的重大难题之一。在炎热的夏季，由于太阳辐射作用，使得物体表面温度普遍较高，常用的解决方案是使用空调等降温设备进行降温，这会造成大量的能源消耗。太阳辐射能量主要集中在紫外/可见/近红外波段(200-2500nm)，而在常温下，受太阳辐照物体的热量主要以红外辐射的方式发射出去。在热辐射波段(2.5-25μm)内具有高发射率，可以最大化减少与大气环境的热交换量，达到辐射降温的最佳效果。因此，材料想要达到降温效果的关键是：在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)具有高反射率，在热辐射波段(2.5-25μm)具有高发射率。通过在物体表面涂覆降温涂层，这样可以从源头上反射来自太阳的辐射能量，避免被加热，同时将物体本身的热量以红外辐射的方式到发射出去，可以有效的降低建筑物以及设备的温度，达到节省能源，创造舒适工作环境以及保障设备安全稳定运行的目的。

在建筑物表面以及涂料生产中，常用于反射太阳光谱的白色涂料有tio2、碳酸钙等，但这些材料在紫外光波段有较高的吸收率，在可见近红外波段的反射率普遍低于90％，在太阳光照射下降温效果不明显。此外，复杂的多层膜结构也可以达到降温的目的，但是其工艺复杂，成本较高，不具有普适性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)具有高反射率，在热辐射波段(2.5-25μm)具有高发射率的辐射降温涂层及其成型方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种辐射降温涂层，所述辐射降温涂层的组成成分包括改性分子筛与成膜剂。

上述辐射降温涂层中，优选的，所述改性分子筛为经过热处理改性的分子筛。本发明中，对分子筛进行热处理改性，分子筛的结构和性质会发生明显的变化，其相比于常规分子筛，在近红外波段的反射率明显提升，且在热辐射波段(2.5-25μm)的发射率可以维持较高水平，辐射降温效果更好。

上述辐射降温涂层中，优选的，所述热处理改性为将分子筛从室温加热至800-1000℃，并在800-1000℃处保温3-6h，控制升温速率为5-8℃/min，随炉冷却至室温。热处理温度需要达到800℃，分子筛的反射率才会达到发生明显的变化，上述保温时间与升温速率可以确保分子筛得到改性充分。

上述辐射降温涂层中，优选的，所述改性分子筛为微孔分子筛，所述成膜剂为聚偏氟乙烯。更优选的，所述改性分子筛为改性4a分子筛。

上述辐射降温涂层中，优选的，所述改性分子筛与成膜剂的质量比为1：(0.1-0.5)。改性分子筛与成膜剂控制在上述配比可以保证成膜效率，外观整洁可用，成膜后均匀，易干燥。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种辐射降温涂层的成型方法，包括以下步骤：

(1)将成膜剂溶解，再加入改性分子筛，搅拌得到均匀混合的溶液；

(2)将步骤(1)中得到的均匀混合的溶液刮涂成膜，然后干燥固化(优选在真空条件下)，即得到辐射降温涂层。

上述成型方法中，优选的，所述成膜剂溶解为将成膜剂加入98％的n-甲基吡咯烷酮溶液中搅拌溶解，控制搅拌温度为20-40℃，搅拌时间为3-6h。

上述成型方法中，优选的，控制所述n-甲基吡咯烷酮与改性分子筛的质量比为(1.5-3)：1。

上述成型方法中，优选的，所述步骤(1)中，搅拌得到均匀混合的溶液时，控制搅拌温度为20-50℃，搅拌时间为3-10h。

上述成型方法中，优选的，所述干燥固化时，控制加热温度为50-130℃。

本发明是基于以下原理：1)分子筛是一种由硅氧四面体和铝氧四面体为骨架的多孔材料，由于其具有筛分分子的作用，被广泛应用于化工催化、污水处理等行业中。本发明中首次提出对分子筛经过改性得到热改性分子筛，其在近红外波段的反射率明显提升，能反射99％的太阳光谱，在热辐射波段(2.5-25μm)具有较高的发射率，具有反射太阳光，并将自身的热量通过大气窗口发射到外太空的功能，以达到降低温度，节约能源的目的。2)4a分子筛的孔隙大小在0.4nm左右，与水分子大小相近，对水分子具有很强的吸附能力。然而由于水分子中存在大量的-oh，会吸收大量的太阳光谱能量(在近红外波段，材料对太阳光谱的吸收主要是由于材料内的-oh、-ch、-nh的倍频和组合频吸收引起的)，这对于降温应用来说的是非常不利的，基于此，有效的除掉4a分子筛内的水分，并保持具有较高的反射率变得非常重要，4a分子筛经800-1000℃热处理后，其晶体结构会发生变化，从具有多孔的空间lta型分子筛，变为无孔的低卡耐基硅铝酸钠材料(如图1所示)，结构的转变，孔的消失，以及内部-oh键的消失，从而使得其在近红外波段材料对太阳光谱吸收的减弱，在红外波段的发射率趋向于具有选择性，辐射降温涂层的降温效果更好。3)本发明将聚偏氟乙烯作为成膜材料，由于聚偏氟乙烯内部c-h键较少，因此在近红外波段对太阳光谱吸收能力较弱，并且其具有一定的热稳定性以及环境适用性，经与分子筛混合可以制成降温涂层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明首次提出将改性分子筛作为日间被动辐射降温材料，改性分子筛在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)具有高反射率，在热辐射波段(2.5-25μm)具有高发射率，利用其得到的辐射降温涂层具有良好的降温效果。

2、本发明提供的辐射降温涂层的成型方法简便高效，通过简单的刮涂成膜，经烘干后就可以获得具有降温功能的辐射降温涂层，可作为户外设施、临时建筑、大型罐体等的隔热降温涂层，具有广阔的实际应用价值。

附图说明

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获得其他的附图。

图1为实施例1中热处理前后4a分子筛结构变化示意图((a)lta型号4a分子筛；(b)低卡耐基型硅铝酸钠)。

图2为实施例1中辐射降温涂层的实物图。

图3为4a分子筛涂层及经过800℃热处理后的4a分子筛涂层的在太阳光谱波段的反射率。

图4为经过800℃热处理后的4a分子筛涂层的在热辐射波段的发射率。

图5为4a分子筛涂层及经过1000℃热处理后的4a分子筛涂层的在太阳光谱波段的反射率。

图6为经过1000℃热处理后的4a分子筛涂层的在热辐射波段的发射率。

图7为4a分子筛涂层及经过600℃热处理后的4a分子筛涂层的在太阳光谱波段的反射率。

图8为经过600℃热处理后的4a分子筛涂层的在热辐射波段的发射率。

图9为5a分子筛涂层及经过800℃热处理后的4a分子筛涂层的在太阳光谱波段的反射率。

图10为经过800℃热处理后的5a分子筛涂层的在热辐射波段的发射率。

图11为实施例1中得到的辐射降温涂层与对比例3中的试样一、试样二、试样三进行效果对比测试的实物图。

图12为连续48h监测的图11中各试样的温度测试曲线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种辐射降温涂层，其组成成分包括热处理改性4a分子筛与成膜剂，成膜剂为聚偏氟乙烯，且改性4a分子筛与聚偏氟乙烯的质量比为8.5：1.5。

上述热处理改性4a分子筛的改性方法为：将4a分子筛置于高温马弗炉中，气氛为空气环境，从室温加热到800℃后保温6h，控制升温速率为5℃/min，分子筛随炉冷却，得到改性4a分子筛。

上述辐射降温涂层的成型方法包括以下步骤：

(1)将1.5g粉末状聚偏氟乙烯加入到20ml98％的n-甲基吡咯烷酮溶液中进行磁力搅拌，直至形成均匀混合的溶液，然后加入8.5g改性4a分子筛，在25℃下搅拌5h得到均匀混合的溶液；

(2)使用刮膜器将步骤(1)中得到的均匀混合的溶液刮涂到铝板上，放置于真空干燥箱中，70℃下真空干燥6h，即得到上述辐射降温涂层。

图1中示出了对4a分子筛热处理前后的结构变化示意图，由图1可知，经过热处理改性后，4a分子筛结构由lta型号(示意图(a))变为低卡耐基型硅铝酸钠(示意图(b))。

本实施例中的辐射降温涂层的实物图如图2所示，由图可知，成型后的辐射降温涂层具有良好的结合状态，涂层表面均匀，没有明显的裂纹以及褶皱出现，说明该降温涂层可以应用于多种材料的表面，作为降温涂层。

本实施例中的辐射降温涂层在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)及热辐射波段的发射率曲线如图3、4所示，由图可知，改性4a分子筛在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)具有较高的反射率，在热辐射波段(2.5-25μm)具有高红外发射率，该材料在太阳光谱波段的反射率达到了99％，在大气窗口波段的发射率达到了0.94，表明了改性4a分子筛作为功能填料与聚偏氟乙烯制备出辐射降温涂层在降温材料方面应用的巨大潜力。

实施例2：

一种辐射降温涂层，其组成成分包括热处理改性4a分子筛与成膜剂，成膜剂为聚偏氟乙烯，且改性4a分子筛与聚偏氟乙烯的质量比为8.5：1.5。

上述热处理改性4a分子筛的改性方法为：将4a分子筛置于高温马弗炉中，气氛为空气环境，从室温加热到1000℃后保温3h，控制升温速率为8℃/min，分子筛随炉冷却，得到改性4a分子筛。

上述辐射降温涂层的成型方法包括以下步骤：

(1)将1.5g粉末状聚偏氟乙烯加入到20ml98％的n-甲基吡咯烷酮溶液中进行磁力搅拌，直至形成均匀混合的溶液，然后加入8.5g改性4a分子筛，在25℃下搅拌5h得到均匀混合的溶液；

(2)使用刮膜器将步骤(1)中得到的均匀混合的溶液刮涂到铝板上，放置于真空干燥箱中，70℃下真空干燥6h，即得到上述辐射降温涂层。

本实施例中的辐射降温涂层在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)及热辐射波段的发射率曲线如图5、6所示，由图可知，改性4a分子筛在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)具有较高的反射率，在热辐射波段(2.5-25μm)具有高红外发射率，该材料在太阳光谱波段的反射率达到了99％，在红外波段的发射率达到了0.93，表明了高温改性4a分子筛作为功能填料与聚偏氟乙烯制备出辐射降温涂层在降温材料方面应用的巨大潜力。

对比例1：

一种辐射降温涂层，其组成成分包括热处理改性4a分子筛与成膜剂，成膜剂为聚偏氟乙烯，且改性4a分子筛与聚偏氟乙烯的质量比为8.5：1.5。

上述热处理改性4a分子筛的改性方法为：将4a分子筛置于高温马弗炉中，气氛为空气环境，从室温加热到600℃后保温6h，控制升温速率为5℃/min，分子筛随炉冷却，得到改性4a分子筛。

上述辐射降温涂层的成型方法包括以下步骤：

(1)将1.5g粉末状聚偏氟乙烯加入到20ml98％的n-甲基吡咯烷酮溶液中进行磁力搅拌，直至形成均匀混合的溶液，然后加入8.5g改性4a分子筛，在25℃下搅拌5h得到均匀混合的溶液；

(2)使用刮膜器将步骤(1)中得到的均匀混合的溶液刮涂到铝板上，放置于真空干燥箱中，70℃下真空干燥6h，即得到上述辐射降温涂层。

本对比例涂层的太阳光谱反射率和红外发射率如图7、8所示，由图可知，热处理未达到800-1000℃时，涂层的太阳光谱反射率和红外发射率没有发生明显的改变，不能达到良好的降温效果。

对比例2：

一种辐射降温涂层，其组成成分包括热处理改性5a分子筛与成膜剂，成膜剂为聚偏氟乙烯，且改性5a分子筛与聚偏氟乙烯的质量比为8.5：1.5。

上述热处理改性5a分子筛的改性方法为：将5a分子筛置于高温马弗炉中，气氛为空气环境，从室温加热到800℃后保温6h，控制升温速率为5℃/min，分子筛随炉冷却，得到改性5a分子筛。

上述辐射降温涂层的成型方法包括以下步骤：

(1)将1.5g粉末状聚偏氟乙烯加入到20ml98％的n-甲基吡咯烷酮溶液中进行磁力搅拌，直至形成均匀混合的溶液，然后加入8.5g改性5a分子筛，在25℃下搅拌5h得到均匀混合的溶液；

(2)使用刮膜器将步骤(1)中得到的均匀混合的溶液刮涂到铝板上，放置于真空干燥箱中，70℃下真空干燥6h，即得到上述辐射降温涂层。

本对比例涂层的太阳光谱反射率和红外发射率如图9、10所示，由图可知，选用其他类型的分子筛，如本对比例中的5a分子筛，同样经过800℃热处理，涂层的太阳光谱反射率并没有提高到4a分子筛的水平，其红外发射率不具有良好的辐射降温特性。

对比例3：

将实施例1中的辐射降温涂层中的改性4a分子筛替换为未改性4a分子筛和钛白粉，分别得到试样一和试样二，直接将实施例1中的辐射降温涂层上的涂覆膜去除(即直接采用铝板基板)得到试验三。上述试样一和试样二的制备方法与实施例1相同。

试样一在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)及红外波段的发射率曲线如图3、4所示，由图可知，未改性4a分子筛在太阳光谱波段(0.25-2.5μm)的反射率低于实施例1中热处理改性的分子筛。

实施例1中得到的辐射降温涂层与对比例1中的试样一、试样二、试样三进行效果对比，测试的实物图如图11所示，图11中左上图为实施例1中的辐射降温涂层，左下图为试样一，右上图为试验三，右下图为试样二。由图可知，各涂层表面均匀，没有明显的裂纹以及褶皱出现，说明各涂层制备工艺差别较小，工艺对材料性能影响可忽略。

图12为连续48h监测的各个图11中各试样的实际降温效果，由图12可知，实施例1中的含改性4a分子筛的辐射降温涂层在夜间与试验一、试验二温度相近，但是在日间有太阳照射的情况下，实施例1中的含改性4a分子筛有明显的降温效果，与无涂层涂覆的铝板(试样三)相比，日间降温最高达到15℃。