一种具有全天高效被动辐射冷却功能的涂层纺织品及其制备方法

1.本发明属于辐射冷却材料技术领域，具体涉及一种具有全天高效被动辐射冷却功能的涂层纺织品及其制备方法。


背景技术：

2.每年，用于冷却的能源以约52.3ej的速度被消耗，约占全球能源需求的14.6％。不断增长的电力消耗提高了全球对能源的需求，也带来了温室效应等环境问题。辐射冷却技术利用地球与宇宙之间的巨大温差，促使地面发射的热辐射透过中红外大气窗口(波长约在8-13μm)，从而达到冷却的效果。大气窗口是地球大气的动态行为，它允许特定波长的红外辐射透过大气层而不被吸收。利用外太空作为巨大冷源，通过与其进行辐射换热，可以将地球物体的温度降低至环境温度以下。与传统冷却技术相比，辐射冷却技术作为一种无能耗、无温室气体排放的被动冷却技术，受到越来越广泛的关注和研究。
3.辐射冷却织物的制备方式主要有两种，包括复合纺丝技术和涂层技术。通过复合纺丝技术制备的纤维制品，其辐射冷却性能优异，但由于功能填料的添加量大，不仅造成纺丝加工难度大且纤维制品物理机械性能差。而涂层技术具有较高的适用性和灵活性，通过涂层组成及结构的设计，可以获得具有辐射冷却性能的涂层织物。但涂层技术目前面临着冷却效果有待提高、制备工艺复杂及成本高等诸多问题，极大限制了辐射冷却技术在纺织品领域的广泛应用。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供低成本、可大面积制备且辐射制冷效率高的辐射制冷功能涂层纺织品及其制备方法，克服了现有技术中辐射制冷层降温性能不佳、制备工艺复杂、成本高等问题。
5.一种具有全天高效被动辐射冷却功能的涂层纺织品，包括基底以及设于所述基底上并具有无机粒子和多孔结构的辐射制冷层；
6.所述辐射制冷层的孔隙率为0～50％。
7.其中，无机粒子和多孔结构分别独立地分布于辐射制冷层的表面和内部。
8.本发明的涂层纺织品所用的具有无机粒子和多孔结构的辐射制冷层适于反射0.3～2.5μm波段的太阳光，并在8～13μm波段具有高发射率，以使得所述辐射制冷层适于将热量以红外辐射的方式通过“大气窗口”发射出去。本发明的涂层纺织品太阳光反射率大于等于0.93，大气窗口发射率大于0.95。上述辐射制冷层结合无机粒子和多孔结构，充分利用其对太阳光的散射作用，增加了对太阳光的反射率。
9.作为优选，所述无机粒子的粒径为0.5～6μm。作为进一步优选，所述无机粒子的粒径为0.5～3μm。更进一步优选为0.8～1.3μm。
10.作为优选，所述多孔结构的孔径为50～2000nm。进一步优选为80～500nm。更进一
步优选为100-200nm。
11.作为优选，所述辐射制冷层的孔隙率为10～40％。进一步优选为20～35％。
12.作为优选，所述无机粒子的体积为所述辐射制冷层体积的6～24％。进一步优选为10～21％。更进一步优选为18％。
13.作为优选，所述辐射制冷层的厚度为40～200μm。进一步优选为120～180μm。
14.作为优选，辐射制冷层材料为聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(p(vdf-hfp))、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚氯乙烯(pvc)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乳酸(pla)、聚四氟乙烯(ptfe)和聚甲基戊烯(tpx)中的一种或多种。进一步优选为聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(p(vdf-hfp))。
15.作为优选，所述基底为棉织物、锦纶织物、聚乳酸织物、丝织物、涤纶织物、聚乙烯织物中的一种或多种。进一步优选为涤纶织物(pet织物)。
16.作为优选，所述无机粒子为氧化铝、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、磷酸铝、硫酸钡和二氧化钛中的一种或多种。进一步优选为氧化铝(al2o3)粒子。作为更进一步优选，所述无机粒子为球型氧化铝粒子。
17.上述任一项所述的具有全天高效被动辐射冷却功能的涂层纺织品的制备方法，包括以下步骤：
18.(1)将无机粒子加入到有机溶剂中，超声分散，后加入辐射制冷层材料，搅拌均匀，至辐射制冷层材料完全溶解，制得分散液；
19.(2)将分散液涂覆于基底表面，待有机溶剂挥发，即得所述涂层纺织品；
20.可选择地，向有机溶剂中加入无机粒子的同时，添加制孔剂于有机溶剂中；且所述制孔剂与所述有机溶剂不为同一种物质。
21.当同时加入制孔剂时，作为优选，步骤(1)中，加入无机粒子和制孔剂后，超声分散20-60min，使物料混合均匀。
22.作为优选，步骤(2)中，将分散液涂覆于基底表面的具体操作为：
23.将分散液浇筑于基底表面，并使用涂布机进行辊涂。
24.作为优选，步骤(1)中，加入辐射制冷层材料后，在30～50℃水浴中搅拌1～3h，至辐射制冷层材料完全溶解。
25.作为优选，所述有机溶剂为丙酮、丁酮、二氯甲烷、三氯甲烷中的一种或多种。进一步优选为丙酮。
26.作为优选，所述制孔剂为水、无水乙醇、二氯甲烷中的一种或多种。进一步优选为水。
27.作为具体优选，一种具有全天高效被动辐射冷却功能的涂层纺织品的制备方法，包括以下步骤：
28.(1)称取al2o3、水和丙酮，加入到烧杯中，超声分散，形成均匀的分散液；
29.(2)然后向上述分散液中加入p(vdf-hfp)，水浴中搅拌，待p(vdf-hfp)完全溶解在丙酮中，形成均一稳定的涂层分散液；
30.(3)然后将涂层分散液浇筑到pet织物上，并使用涂布机辊涂；待丙酮和水完全挥发后，复合多孔涂层织物(具有全天高效被动辐射冷却功能的涂层纺织品)制备完成。
31.本发明提供了一种具有氧化铝颗粒和多孔结构的辐射冷却涂层纺织品及其制备
方法，并展示了其冷却性能。本发明的涂层纺织品包括被动型辐射制冷层和面料纤维(基底)两层结构，该被动型辐射制冷层对其太阳光反射和中红外发射具有很高的影响；其中，辐射制冷层中优化无机粒子的粒径，发挥其对太阳光的高反射，并进一步提升了辐射冷却效果。此外，涂层纺织品具有良好的疏水性，可确保冷却性能的户外耐久性以及赋予涂层纺织品以自清洁性能。该涂层纺织品的制备过程简单、成本低。本发明的涂层纺织品及其制备方法成功地证明了辐射冷却在纺织品中的应用，并为制备低成本且可大面积生产的辐射冷却涂层织物提供了另一个思路。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
33.本发明的具有全天高效被动辐射冷却功能的涂层纺织品通过在辐射制冷层中添加无机粒子和设置多孔结构，充分利用其对太阳光的散射作用，有效增加了对太阳光的反射率，进而提高了辐射制冷效果。相较于单纯的多孔涂层织物或只添加无机粒子的涂层织物，本发明制备的涂层纺织品具有更高的辐射制冷效果。同时，涂层纺织品具有良好的疏水性，可确保冷却性能的户外耐久性以及赋予涂层纺织品以自清洁性能。且本发明的涂层纺织品制备方法简单，成本低，无机粒子添加量少。
附图说明
34.图1为实施例1中制备的3#涂层纺织品表面形貌表征sem图；
35.图2为实施例1中制备的3#涂层纺织品表面形貌表征sem图；
36.图3为实施例2中制备的6#涂层纺织品表面形貌表征sem图；
37.图4为实施例2中制备的13#涂层纺织品表面形貌表征sem图；
38.图5为实施例2中制备的8#涂层纺织品表面形貌表征sem图；
39.图6为实施例1中制备的3#涂层纺织品反射率表征图；
40.图7为实施例2中制备的8#涂层纺织品反射率表征图；
41.图8为实施例4中制备的19#涂层纺织品反射率表征图；
42.图9为实施例1中制得的3#涂层纺织品和对比例1中的pet织物的温度测试表征对比图；
43.图10为实施例1制备的3#涂层纺织品表面水性接触角表征图。
具体实施方式
44.下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。
45.实施例1：孔隙率的选择
46.(1)称取2g平均粒径为1.2μm的al2o3、水和24g丙酮，加入到50ml烧杯中，超声分散30min，形成均匀的分散液；
47.(2)然后向上述分散液中加入3g p(vdf-hfp)，水浴40℃磁力搅拌2h，待p(vdf-hfp)完全溶解在丙酮中，形成均一稳定的涂层分散液；
48.(3)然后将涂层分散液浇筑到pet织物上，并使用实验室涂布机辊涂。待丙酮和水完全挥发后，复合多孔涂层织物(涂层纺织品)制备完成。
49.上述制备过程中，水的添加量分别为0.5g、0.75g、1g、1.25g、1.5g，最终制得的复合多孔涂层织物分别记为1#、2#、3#、4#、5#；该五种涂层纺织品的孔隙率以及对应的反射率
和发射率如表1所示：
50.表1本实施例制备的五种涂层纺织品的性能参数
51.涂层纺织品1#2#3#4#5#孔隙率/％2025303540反射率/％0.940.940.950.950.95发射率/％0.980.980.980.980.98
52.由表1可以看出，随着孔隙率的增加(即步骤1中制孔剂水添加量的增加)，涂层纺织品的反射率先上升，后达到稳定，而发射率则不随孔隙率的变化而变化；综合性能和制孔剂(水)的添加量，3#涂层纺织品的孔隙率为最优选孔隙率。
53.3#辐射制冷织物(涂层纺织品)表面的形貌表征sem如图1和2所示，由图1可以看出，辐射制冷层的表面具有直径约为1.2微米的氧化铝粒子；由图2可以看出，辐射制冷层上具有纳米多孔结构。
54.本实施例制备得到的辐射制冷织物涂层厚度均为150μm，氧化铝体积分数均为18％。3#涂层纺织品的太阳光反射率为0.95(如图6所示)，大气窗口发射率为0.98，说明无机粒子和多孔结构的设置能够有效提高辐射制冷层的辐射制冷效果。3#涂层纺织品的多孔结构的孔径为100～200nm。
55.如图10所示，本实施例制得的3#涂层纺织品的表面的水滴接触角为126.4
°
，表明该涂层纺织品还具有良好的疏水性。
56.实施例2：无机粒子平均粒径的选择
57.(1)称取2g的al2o3和24g丙酮，加入到50ml烧杯中，超声分散30min，形成均匀的分散液；
58.(2)然后向上述分散液中加入3g p(vdf-hfp)，水浴40℃磁力搅拌2h，待p(vdf-hfp)完全溶解在丙酮中，形成均一稳定的涂层分散液；
59.(3)然后将涂层分散液浇筑到pet织物上，并使用实验室涂布机辊涂。待丙酮完全挥发后，复合涂层织物(涂层纺织品)制备完成。
60.按照上述制备过程，分别使用平均粒径为0.5μm、0.8μm、1.2μm、1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm的al2o3，制备得到的涂层纺织品分别记为6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#；各涂层纺织品的各项参数如表2所示：
61.表2本实施例制备的涂层纺织品的性能参数
62.涂层纺织品氧化铝平均粒径/μm反射率/％发射率/％6#0.50.910.967#0.80.920.968#1.20.930.969#1.50.910.9610#20.910.9611#30.90.9612#40.890.9613#50.890.96
63.由表2可以看出，随着氧化铝平均粒径的增大，各涂层纺织品的反射率先上升后下
降，并在平均粒径为1.2μm(8#)时达到最大；各涂层纺织品的发射率并未随平均粒径的变化而变化。
64.本实施例制备得到的辐射制冷织物(涂层纺织品)涂层厚度均为150μm，氧化铝体积分数为18％，孔隙率为0％。8#涂层纺织品的表面sem图如图5所示，涂层上没有多孔结构，说明其不具有多孔结构；太阳光反射率为0.93(如图7所示)，大气窗口发射率为0.96。6#和13#涂层纺织品的表面sem图分别如图3和4所示，由图3可以看出，6#涂层纺织品的辐射制冷层上具有平均粒径为0.5μm的氧化铝粒子；由图4可以看出，13#涂层纺织品的辐射制冷层的表面具有平均粒径为5μm的氧化铝粒子。
65.由实施例1中3#涂层纺织品和本实施例中8#涂层纺织品的反射率对比可知，3#具有多孔结构的涂层纺织品的反射率0.95和发射率0.98均高于8#不具有多孔结构的涂层纺织品的反射率0.93和发射率0.96，说明多孔结构能够提高涂层纺织品的反射率。实施例1中3#涂层纺织品的制备为最优实施例。
66.实施例3：辐射制冷层中氧化铝体积分数的选择
67.(1)称取平均粒径为1.2μm的al2o3和24g丙酮，加入到50ml烧杯中，超声分散30min，形成均匀的分散液；
68.(2)然后向上述分散液中加入3g p(vdf-hfp)，水浴40℃磁力搅拌2h，待p(vdf-hfp)完全溶解在丙酮中，形成均一稳定的涂层分散液；
69.(3)然后将涂层分散液浇筑到pet织物上，并使用实验室涂布机辊涂。待丙酮完全挥发后，复合涂层织物(涂层纺织品)制备完成。
70.按照上述制备方法，al2o3的添加量分别设置为0.5g、1g、1.5g、2g、2.5g，制备得到的涂层纺织品分别记为14#、15#、16#、17#(与实施例2中8#相同)、18#；制备得到的各涂层纺织品的各项参数如表3所示：
71.涂层纺织品14#15#16#17#18#氧化铝/g0.511.522.5氧化铝体积分数/％610151821反射率/％0.680.780.860.930.93发射率/％0.950.950.960.960.96
72.由表3可知，随着氧化铝添加量(体积分数)的增加，所制得的涂层纺织品的反射率也随之增加，但当体积分数达到18％时，反射率不再增加；综合考虑，氧化铝的体积分数为18％是最优选体积分数。
73.实施例4
74.(1)称取2g平均粒径为1.2μm的al2o3和30g丙酮，加入到50ml烧杯中，超声分散30min，形成均匀的分散液；
75.(2)然后向上述分散液中加入3g p(vdf-hfp)，水浴40℃磁力搅拌2h，待p(vdf-hfp)完全溶解在丙酮中，形成均一稳定的涂层分散液；
76.(3)然后将涂层分散液浇筑到pet织物上，并使用实验室涂布机辊涂。待丙酮完全挥发后，复合涂层织物(涂层纺织品)制备完成，该涂层纺织品记为19#。
77.本实施例制备得到的辐射制冷织物(涂层纺织品19#)涂层厚度为100μm，氧化铝体积分数为18％，孔隙率0％，太阳光反射率为0.81(如图8所示)，大气窗口发射率为0.98。
78.将实施例2中的8#涂层纺织品(涂层厚度为150μm，反射率为0.93)与本实施例的19#涂层纺织品进行对比可知，19#涂层纺织品的涂层厚度(100μm)和反射率(0.81)均明显低于8#涂层纺织品的涂层厚度和反射率；说明，丙酮的添加量可以影响最终的涂层厚度，涂层厚度进而影响产品的反射率。
79.对比例1
80.pet织物表面未做任何处理。
81.如图9所示，在日间太阳光照射下，相比普通pet织物(对比例3)，3#涂层纺织品造成了5.4℃的平均温度冷却；最终，其温度可比环境温度低11.0℃；在夜晚，也具有5.0℃的亚环境温度冷却，具有优秀的被动冷却性能。
82.本发明的最大优势在于制备的涂层纺织品使用成本较低的氧化铝和制孔剂(水)，获得了超高的太阳光反射率。上述辐射制冷层充分利用无机粒子(氧化铝)和孔隙(多孔结构)散射作用，增加对太阳光的反射率，提高辐射制冷效果。
83.上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化。凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。