一种辐射制冷膜
阅读说明：本技术 一种辐射制冷膜 (Radiation refrigeration film ) 是由 朱斌 李朵 朱嘉 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种选择性发射辐射制冷膜,具体设计了一种通过微观结构设计提高薄膜对0.3-2.5μm波长太阳光的反射,通过特殊分子结构实现薄膜在8-13μm“大气窗口”波段选择性发射,即在中红外波段,仅在8-13μm波段具有尽可能高的发射率,而在其他中红外波段发射率尽可能低,从而获得近理想的高效辐射制冷薄膜的方法。该方法制备辐射制冷膜高效易行,且适用于大规模生产。(The invention discloses a refrigeration film capable of selectively emitting radiation, and particularly designs a method for improving the reflection of the film to sunlight with the wavelength of 0.3-2.5 mu m through microstructure design and realizing the selective emission of the film in an atmospheric window waveband of 8-13 mu m through a special molecular structure, namely in a middle infrared waveband, the film only has the emissivity as high as possible in the waveband of 8-13 mu m, and the emissivity is as low as possible in other middle infrared wavebands, so that the ideal high-efficiency radiation refrigeration film is obtained. The method for preparing the radiation refrigeration film is efficient and easy to implement, and is suitable for large-scale production.)
技术领域
本发明属于辐射制冷材料，尤其涉及一种选择性发射辐射制冷膜。
技术背景
随着地球气候变化，节省能源、减少碳排放成为社会共识。而全球每年用于空调等制冷消耗的能源占世界总用电量的15％左右，因此研发无能耗被动式制冷技术对于节能减排极其重要。目前已有的熔喷等手段制得的纤维膜在空气过滤、服装用布等方面有广泛应用，然而在室外高温环境使用时，传统纤维膜无法实现降温，因此如何实现无能耗动式制冷纤维膜仍然是一个挑战。辐射制冷是通过自发向寒冷的外太空辐射热量来实现降温的一种制冷技术，地球的大气层对不同波长的电磁波有不同的透射率，其中对8-13μm波段的电磁波透射率极高，即“大气窗口”。因此，通过对材料的光谱性质调控，使其在8-13μm具有尽可能高的发射率，而在除8-13μm以外的波段，尤其在0.3-2.5μm的太阳光谱波段具有尽可能高的反射率，可以使材料具有优异的辐射制冷效果，从而实现零电耗、无需制冷剂、零排放的被动制冷，理论上其制冷功率可达150W/m2。因此，发展辐射制冷这一种绿色被动制冷技术，不仅可以节约大量能源，而且可以缓解传统制冷手段带来的环境污染和温室效应等问题。
传统的制冷方式比如空调制冷等需要消耗大量能源，加剧了温室效应。此外，近几年报道的辐射制冷材料虽然展现了不错的制冷功率，但是由于材料在8-13μm以外的低反射率限制了其辐射制冷性能；基于光子晶体的选择性发射辐射制冷材料，经过光谱设计在8-13μm具有高发射率，同时在8-13μm以外具有高反射率，虽然具有优越的辐射制冷性能，但由于其制备工艺复杂，生产成本高，难以实现大规模制备。
发明内容
为了提高在室外条件下纤维制品的辐射制冷性能，本发明的目的在于提出了一种选择性发射的辐射制冷膜，通过分子结构筛选实现选择性发射，即仅在8-13μm中红外波段具有选择性高发射，而在其他中红外波段发射率尽可能低，通过微观结构设计可实现对0.3-2.5μm的太阳光波段高达96％的反射率，从而首次实现了可大规模制备的红外选择性发射的高性能辐射制冷材料，实现了低于室温的辐射制冷性能，极大地提高了纤维材料的降温效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种辐射制冷膜，所述辐射制冷膜包含聚合物材料，所述聚合物材料具有在8–13μm中红外波段选择发射性的聚合物分子，发射性高于80％，所述辐射制冷膜内部具有5-10μm微孔的孔洞结构使得在太阳光0.3–2.5μm波段的反射率高于90％。
优选的，所述聚合物材料包括PEO、PP。
优选的，所述辐射制冷膜的制备方法包括静电纺丝、添加造孔剂挤出成型、流延成型法。
优选的，所述静电纺丝制备方法如下：
(1)将聚合物材料溶解，得到5wt％-10wt％的纺丝溶液；
(2)将步骤(1)中所述的纺丝溶液注入注射器中，挤出溶液进行静电纺丝得到纳米纤维；
(3)用滚筒收集器收集步骤(2)纺出的纳米纤维得到纳米纤维膜。
优选的，所述静电纺丝的推速为2mL/h，所述静电纺丝的针头为20号针头，所述静电纺丝的电压为22kV，所述静电纺丝的纺丝距离为15cm。
优选的，所述滚筒式收集器的滚筒转速为500rpm。
有益效果：
本发明的辐射制冷膜中，采用的聚合物材料在红外波段具有选择性高发射，其在8-13μm的发射率为82％，本发明中通过静电纺丝制备的辐射制冷膜在太阳光波段的反射率达到了96％，制得的辐射制冷膜在阳光下的温度可以比环境温度低5℃左右。同时，在无太阳光影响下，可以实现比普通无选择性红外发射的辐射制冷材料降温3℃左右，此时比环境降温7℃。
附图说明
图1是本发明实施例1辐射制冷膜的太阳光波段反射测试图谱。
图2是本发明实施例1辐射制冷膜的红外发射测试图谱。
图3是本发明实施例1辐射制冷膜的微观形貌SEM图片。
图4是本发明实施例1辐射制冷膜的日间辐射制冷性能。
图5是本发明实施例1辐射制冷膜与普通无选择性辐射制冷材料(对照组)性能测试比较。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的图表，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做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。
实施例1
通过静电纺丝技术得到辐射制冷膜，具体制备方式如下：
(1)首先将40g PEO颗粒溶解在458mL乙腈中，在100℃下磁力搅拌8小时，得到质量分数为10wt％的纺丝溶液；
(2)将步骤(1)所述的纺丝溶液注入注射器中，以2mL/h的推速挤出溶液进行静电纺丝，静电纺丝针头为20号针头，电压为22kV，纺丝距离为15cm；
(3)用滚筒式收集器收集步骤(2)纺出的纳米纤维，滚筒转速为500rpm，12小时后获得约500μm厚的辐射制冷膜。
测试方法：
A、对实施静电纺丝技术得到的辐射制冷膜的反射率进行测试，使用的仪器为配备积分球模型(ISR-3100)的UV-vis-nir分光光度计(uv3600，岛津)，图1为测试结果。
B、对实施静电纺丝技术得到的辐射制冷膜的发射率进行测试，使用的仪器为傅里叶变换红外(FT-IR)光谱仪(Nicolet IS50，ThermoFisher)和金积分球(IntergatIR MIR，Pike)以及汞镉碲化物探测器，图2为测试结果。
C、对实施静电纺丝技术得到的辐射制冷膜进行微观形貌测试，图3为测试的SEM图像，使用的仪器为Zeiss Sigma VP，图3为测试结果。
D、对实施静电纺丝技术得到的辐射制冷膜进行温度测试，将温度测试器分别置于辐射制冷膜下方和空气中，记录空气温度以及辐射制冷膜下方温度，温度越低代表制冷效果越好，使用的仪器为K-type,Omega的热电偶。
E、对实施静电纺丝技术得到的辐射制冷膜和普通无选择性发射辐射制冷材料(对照组)进行温度测试，将温度测试器分别置于辐射制冷膜、无选择性辐射制冷材料下方和空气中，记录下空气温度以及辐射制冷膜、无选择性辐射制冷材料下方温度，温度越低代表制冷效果越好，使用的仪器为K-type,Omega的热电偶。
测试分析结果：
PEO由于其内部分子组成仅包含在8-13μm具有选择性振动峰的C–C,C–O和C–H，因此在8-13μm波段具有较高的选择性高发射率，可以通过“大气窗口”以热辐射的方式向外太空发射能量，而不吸收来自除“大气窗口”外的其他波段的热辐射能量，最终实现被动降温。同时，我们通过静电纺丝技术将其制备成纳米纤维，因其内部5μm左右的孔洞，所制得的辐射制冷膜在太阳光0.3–2.5μm波段具有较高的反射率。我们对其进行了光谱测试，图1里的下方曲线是代表了太阳光的辐射能谱，上方曲线为辐射制冷膜的反射率，平均值为96％；图2里的下方曲线代表大气透射率，上方的红外吸收曲线表明其在8-13μm的红外发射率达到82％。
图3的SEM图像展现了实施静电纺丝技术得到的辐射制冷膜的微观形貌，可以看出纳米纤维的直径为500nm左右，内部孔洞孔径为5-10μm。
将温度测试器置于辐射制冷膜下方和空气中，记录空气温度以及辐射制冷膜下方温度，温度越低代表制冷效果越好。图4展示了对实施静电纺丝技术得到的辐射制冷膜在日间进行了温度测试，展示了辐射制冷膜在阳光下的温度可以比室温低5℃左右，说明了本发明选择性红外发射的辐射制冷膜的确可以实现太阳下低于室温的辐射制冷效果；图5对本发明辐射制冷膜与普通无选择性辐射制冷材料(对照组)进行了降温性能测试对比，比较展示了静电纺丝技术制得的膜能降至更低的温度，说明了本发明选择性红外发射的辐射制冷膜比之前报道的无选择性红外发射的辐射制冷材料具有更好的制冷性能。
实施例2
通过流延成型法技术得到辐射制冷膜，具体制备方式如下：
(1)首先将18g PEO，3g PAN和100mL丙酮在球磨机上球磨4h，得到均匀混合的溶液；
(2)将步骤(1)所述的溶液倒在玻璃板上，利用刮刀进行涂布；
(3)将步骤(2)涂布溶液的玻璃板放入真空干燥箱中，在50℃下烘干6h，得到厚度为50μm的辐射制冷膜。
实施例3
通过添加发泡剂挤出成型技术得到辐射制冷膜，具体制备方式如下：
(1)首先将40g PEO颗粒与0.04g偶氮发泡剂混合均匀得到混合物；
(2)将步骤(1)所述混合物加入螺杆挤出机中进行挤出，偶氮发泡剂在螺杆中分解产生气泡，挤出PEO薄膜的过程中，气泡溢出，在薄膜中形成微孔，获得厚度为500μm的辐射制冷膜。
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