一种自适应温度管理器件及其制备方法
阅读说明：本技术 一种自适应温度管理器件及其制备方法 (Self-adaptive temperature management device and preparation method thereof ) 是由 王德辉 张城林 邓旭 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本公开提供一种自适应温度管理器件,包括透明的基底层、多孔层、封装片、浸润液体；多孔层是在所述基底层的顶面由纳米至微米级颗粒堆积而成的一层或多层结构；封装片围绕所述基底层的四周和顶部并与基底层围成腔室,该腔室容纳多孔层和浸润液体。本公开还提供自适应温度管理器件的制备方法和用途。本公开的自适应温度管理器件具有自适应性,可随着不同的环境条件自动达成光透过性和温度的调节,可快速响应光照、温度等环境条件的变化,并对太阳光谱各个波段均有较强的调节能力；器件制备方法简便,成本低廉。(The present disclosure provides a self-adaptive temperature management device comprising a transparent substrate layer, a porous layer, an encapsulation sheet, and an immersion liquid; the porous layer is a layer or a multilayer structure formed by accumulating nano-sized to micron-sized particles on the top surface of the substrate layer; the encapsulating sheet surrounds the periphery and the top of the substrate layer and encloses a chamber with the substrate layer, the chamber containing the porous layer and the impregnating liquid. The disclosure also provides methods of making and uses of the adaptive temperature management devices. The self-adaptive temperature management device disclosed by the invention has self-adaptability, can automatically adjust the light transmittance and the temperature along with different environmental conditions, can quickly respond to the changes of the environmental conditions such as illumination, temperature and the like, and has stronger adjusting capability on each wave band of a solar spectrum; the device has simple preparation method and low cost.)
技术领域
本发明属于智能器件领域，具体地涉及一种自适应温度管理器件，该器件的制备方法，以及利用该器件实现温度管理的方法。
背景技术
在现代建筑中，将室内温度控制在于人体的舒适的范围内很有必要，亦即在天气炎热时降低温度，在天气寒冷时升高温度。目前常用的控温方式主要包括使用风扇、地暖以及空调等设备。但是，这些方式会耗费大量能源，世界上超过30％的能源耗费在取暖、降温和通风上，而且传统的控温方式还会对环境造成很大的影响，例如空气污染、水污染及臭氧层减少等。
为了能够以节能环保的方式来调节或者管理室内的温度变化，在过去的几十年里，智能窗户被大量研究，其特点是通过外部的一些刺激去改变器件本身的化学组成或者材料结构来实现对光透射的动态调控。智能窗户的调节能力可通过电、光、机械以及温度等方式的刺激来实现，这些刺激条件对应的材料包括V2O5、偶氮苯、皱褶的PDMS以及温敏的水凝胶。然而，目前智能窗户器件中所使用的以上材料或其他复合材料仍存在各类问题。例如，无机的电致变色V2O5或WO3的对太阳光谱的调控效果差，而有机的电致变色PEDOT材料耐紫外老化能力弱，不能长时间在户外使用；苯类的光致变色材料只能对400-800nm波段的光进行调控，不能调控整个太阳光谱；机械力调控的褶皱PDMS同样面临无法调控近红外波段太阳光的问题；而温敏水凝胶则需要较高的温度才能实现大范围的调节，并且智能窗户器件无法实现被动降温。
因此，开发一种能够根据外界环境变化自发地对整个太阳光谱进行调节，同时具有更快调制响应速度的光温管理器件，无论是对建筑节能，还是保护隐私、热伪装等都具有重要意义。
发明内容
发明要解决的问题
有鉴于现有的室内温度调控装置和方法存在耗能高、造成环境污染、调节光谱波段范围有限、不耐老化、器件有效工作条件苛刻等问题，本发明提供一种自适应温度管理器件以及该器件的制备和使用方法，以解决现有技术一方面或多方面的问题。
用于解决问题的方案
为实现上述目的，本公开提供一种自适应温度管理器件，包括透明的基底层、多孔层、封装片、浸润液体；
所述多孔层是在所述基底层的顶面由纳米至微米级颗粒堆积而成的一层或多层结构；
所述封装片围绕所述基底层的四周和顶部，所述封装片和所述基底层围成腔室，所述腔室容纳所述多孔层和所述浸润液体。
进一步地，本公开提供一种自适应温度管理器件，其中所述纳米至微米级颗粒的材料为选自由二氧化硅、氟化钙、氟化钡、硫酸铝、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯组成的组中的一种或多种。
进一步地，本公开提供一种自适应温度管理器件，其中所述纳米至微米级颗粒的粒径范围为300nm-5μm。
进一步地，本公开提供一种自适应温度管理器件，其中所述腔室内容纳的浸润液体的体积占所述腔室的体积的1％-5％。
进一步地，本公开提供一种自适应温度管理器件，其中当所述多孔层的堆积层数为两层、三层、四层或更多层时，相邻两层的纳米至微米级颗粒的粒径差值为0.3-2μm。
进一步地，本公开提供一种自适应温度管理器件，其中所述基底层的材料为玻璃、石英、有机玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
进一步地，本公开提供一种自适应温度管理器件，其中所述浸润液体的折射率和所述纳米至微米级颗粒的折射率之差在0.05以内。
进一步地，本公开提供一种自适应温度管理器件，其中：
所述浸润液体为四氯化碳，所述纳米至微米级颗粒为二氧化硅颗粒；或
所述浸润液体为异丙醇，所述纳米至微米级颗粒为聚四氟乙烯颗粒；或
所述浸润液体为乙二醇，所述纳米至微米级颗粒为硫酸铝颗粒。
本公开还提供自适应温度管理器件的制备方法，包括以下步骤：
将基底层片材清洗并烘干；
将纳米至微米级颗粒分散在挥发性液体中制成分散液，将所述分散液涂布在所述基底层片材上，使所述挥发性液体挥发，形成多孔层；
用周围封装片材将所述基底层片材的四周封装，将浸润液体滴加在所述多孔层上，用顶部封装片材将基底层片材的顶部封装。
本公开还提供自适应温度管理器件的用途，包括将所述自适应温度管理器件用作建筑物窗户部件。
发明的效果
综上所述，本发明具备以下优点：
1、本公开的自适应温度管理器件在不同状态下可分别实现对太阳光谱的高效散射或透过，从而达到炎热天气时室内降温、寒冷天气时室内加热的效果。
2、本公开的器件具有自适应性，无需人为施加外部刺激即可随着不同的环境条件自动达成光透过性和温度的调节，调节过程可逆，用户使用简便。
3、本公开的自适应温度管理器件可快速响应光照、温度等环境条件的变化，并对太阳光谱各个波段均有较强的调节能力，调节光透过性和室内温度的过程快速且调控效果突出。
4、本公开的器件制备方法简便，成本低廉，适合工业化生产。
附图说明
参考以下附图，根据一个或多个不同实施例对本公开进行详细描述。提供的附图是为了便于理解本公开，而不应认为是对本公开的广度、范围、尺寸或适用性的限制。为了便于说明，附图不一定按比例绘制。
图1为本公开的自适应温度管理器件的基本结构示意图；
图2为本公开的自适应温度管理器件的工作原理示意图；
图3为SiO2多孔涂层在干燥/润湿状态下不透光或透光的效果图；
图4为本公开的自适应温度管理器件对太阳光谱调制能力的测试结果图。
具体实施方式
自适应温度管理器件的总体结构
本发明提供一种自适应温度管理器件。如图1所示，自适应温度管理器件具有透明的基底层1，基底层的顶面上覆盖有多孔层2，基底层的四周和顶面由封装片3封装，基底层和封装片之间形成的腔室中注入浸润液体4。
基底层
可根据实际需要选择透明基底层的材料，常见的可选材料有玻璃、石英、有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，即polymethyl methacrylate，简称PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(即polytrimethylene terephthalate，简称PET)等。
多孔层
多孔层是在基底层顶面上堆积的一层或多层不同粒径的纳米至微米级颗粒(简称“微纳米颗粒”)。多孔层的堆积层数可以为一层、两层、三层、四层或更多层。构成多孔层的微纳米颗粒的材料可从二氧化硅、氟化钙、氟化钡、硫酸铝、聚四氟乙烯(PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯乙烯(PS)等颗粒中选择一种或多种。通过微纳米颗粒的层堆积结构，多孔层实现对太阳辐射的高效反射。
关于微纳米颗粒的粒径，各层的颗粒粒径可在300nm-5μm的范围内进行选择。相邻两层的微纳米颗粒的粒径差值可以是0.3-2μm，优选0.5-1μm。
多孔层可通过多种方式制备，例如滴涂法、喷涂法、旋涂法等。
封装片
封装片围绕基底层的四周和顶部，基底层和封装片共同围成腔室，腔室中容纳多孔层和浸润液体。封装片的材质没有特别限制，封装基底层顶部的封装片为透明即可。封装片常见的可选材料有玻璃、石英、有机玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。
浸润液体
浸润液体是与所选的多孔层微纳米颗粒的折射率匹配的液体。折射率匹配是指浸润液体的折射率与所使用的微纳米颗粒的折射率之差在0.05以内。示例性的浸润液体有四氯化碳、乙二醇、异丙醇、乙醇等。浸润液体与多孔层微纳米颗粒的示例性匹配组合包括：四氯化碳与二氧化硅颗粒匹配组合，异丙醇与PTFE颗粒匹配组合，乙二醇和硫酸铝颗粒匹配组合等。
以基底层内壁(不包括基底层上沉积的多孔层)和封装片内壁围成的腔室的体积为基准，腔室内容纳的浸润液体的体积占腔室体积的1％-5％，优选1％-2％，可使器件在浸润液体浸润多孔层和浸润液体不浸润多孔层的状态之间良好地转换。
自适应温度管理器件的制备方法
本公开的自适应温度管理器件的一种示例性的制法如下：
对30×30×1mm的基底层片材(例如PMMA、玻璃或PET片材)进行清洗(例如依次用乙醇、丙酮、超纯水超声清洗)，烘干备用。
将第一微纳米颗粒(例如粒径为300-500nm的二氧化硅颗粒或PTFE颗粒)均匀分散在挥发性液体(例如95％乙醇溶液)中制成第一分散液；将第二微纳米颗粒(例如粒径为0.8-1μm的二氧化硅颗粒或PTFE颗粒)均匀分散在挥发性液体(例如95％乙醇溶液)中制成第二分散液；将第三微纳米颗粒(例如粒径为1.5-2μm的二氧化硅颗粒或PTFE颗粒)均匀分散在挥发性液体(例如95％乙醇溶液)中制成第三分散液；将第四微纳米颗粒(例如粒径为3-5μm的二氧化硅颗粒或PTFE颗粒)均匀分散在挥发性液体(例如95％乙醇溶液)中制成第四分散液。
将第一分散液均匀滴涂于基底层上，静置，待第一分散液中的挥发性液体挥发，形成第一颗粒层。然后将第二分散液均匀滴涂于第一颗粒层上，静置，待第二分散液中的挥发性液体挥发，形成第二颗粒层。然后将第三分散液均匀滴涂于第二颗粒层上，静置，待第三分散液中的挥发性液体挥发，形成第三颗粒层。然后将第四分散液均匀滴涂于第三颗粒层上，静置，待第四分散液中的挥发性液体挥发，形成第四颗粒层。由此得到由四层不同粒径的微纳米颗粒堆积成的多孔层。
用四片高度为3mm、长宽与基底层片材吻合的周围封装片材将带有多孔层将基底层片材的四周封装，然后将0.5-0.8ml浸润液体(例如四氯化碳或异丙醇)滴加于多孔层上，随后快速用30×30×1mm的顶部封装片材将基底层片材的顶部封装。基底层片材、周围封装片材和顶部封装片材共同围成腔室，将多孔层和滴加在多孔层上的浸润液体封装在腔室中。
需要说明的是，上述制法只是一种示例性的制法，并不对本公开构成限制。可根据实际需要对基底层片材和封装片材的材质、尺寸，多孔层的层数，形成多孔层各层的微纳米颗粒种类、颗粒粒径，分散微纳米颗粒的挥发性液体种类，浸润液体的种类、体积等各种因素进行适当调整。
自适应温度管理器件的使用方式和工作原理
本公开的自适应温度管理器件可作为建筑物窗户部件使用，例如作为智能窗户部件，亦可在安装在其他需要光温调控的物件上。使用时，自适应温度管理器件的基底层一侧朝向需阻挡的主要辐射源。例如，作为建筑物窗户时，自适应温度管理器件的基底层一侧朝向室外，顶部封装片一侧朝向室内。
参见图2、3，夏季室外温度高于室内温度时，基底层及堆积在基底层上的多孔层受热，浸入到多孔层微纳米颗粒之间的浸润液体蒸发，并在朝向室内一侧的封装片处冷凝。由于多孔层微纳米颗粒之间的间隙不被浸润，呈干燥态的多孔层发挥其高效的反射性能，器件透射率低，阳光难以透过，并结合辐射制冷，实现室内降温。冬季室内温度高于室外温度时，朝向室内一侧的封装片处的浸润液体蒸发，并在基底层上的多孔层处冷凝。浸润液体进入多孔层微纳米颗粒之间的间隙，将多孔层浸润。由于浸润液体与多孔层折射率匹配，润湿态的多孔层透射率升高，器件对阳光高度透射，起到室内升温的效果。本公开的自适应温度管理器件无需如现有技术的器件一样施加电流、机械力等调控因素，而是在实际所处的环境条件下，基于液体蒸发-冷凝过程即可自适应地实现光照和温度的调控。
下面将结合实施例对本公开的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本公开，而不应视为对本公开的范围的限定。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
一种光温调控器件，包括基底PMMA板，在基底板上滴涂2ml SiO2(平均粒径500nm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，SiO2颗粒在基底板上形成多孔层。基底板四周用尺寸适合的PMMA板封装后，滴入0.6ml四氯化碳使多孔层完全浸润，然后快速将顶部用PMMA板和PMMA专用胶水密封。
实施例2
一种光温调控器件，包括基底PMMA板，在基底板上滴涂1ml SiO2(平均粒径500nm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径500nm的SiO2颗粒在基底板上形成第一颗粒涂层。在第一颗粒涂层上滴涂1ml SiO2(平均粒径1μm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径1μm的SiO2颗粒形成第二颗粒涂层。第一颗粒涂层和第二颗粒涂层共同构成多孔层。基底板四周用尺寸适合的PMMA板封装后，滴入0.6ml四氯化碳使多孔层完全浸润，然后快速将顶部用PMMA板和PMMA专用胶水密封。
实施例3
一种光温调控器件，包括基底PMMA板，在基底板上滴涂0.7ml SiO2(平均粒径500nm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径500nm的SiO2颗粒在基底板上形成第一颗粒涂层。在第一颗粒涂层上滴涂0.7ml SiO2(平均粒径1μm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径1μm的SiO2颗粒形成第二颗粒涂层。在第二颗粒涂层上滴涂0.7ml SiO2(平均粒径2μm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径2μm的SiO2颗粒形成第三颗粒涂层。第一、第二、第三颗粒涂层共同构成多孔层。基底板四周用尺寸适合的PMMA板封装后，滴入0.6ml四氯化碳使多孔层完全浸润，然后快速将顶层用PMMA板和PMMA专用胶水密封。
实施例4
一种光温调控器件，包括基底PMMA板，在基底板上滴涂0.5ml SiO2(平均粒径500nm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径500nm的SiO2颗粒在基底板上形成第一颗粒涂层。在第一颗粒涂层上滴涂0.5ml SiO2(平均粒径1μm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径1μm的SiO2颗粒形成第二颗粒涂层。在第二颗粒涂层上滴涂0.5ml SiO2(平均粒径2μm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径2μm的SiO2颗粒形成第三颗粒涂层。在第三颗粒涂层上滴涂0.5ml SiO2(平均粒径3μm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径3μm的SiO2颗粒形成第四颗粒涂层。第一、第二、第三、第四颗粒涂层共同构成多孔层。基底板四周用尺寸适合的PMMA板封装后，滴入0.6ml四氯化碳使多孔层完全浸润，然后快速将顶层用PMMA板和PMMA专用胶水密封。
实施例5
一种光温调控器件，包括玻璃基底板，在玻璃基底板上滴涂0.5ml PTFE(平均粒径500nm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径500nm的PTFE颗粒在基底板上形成第一颗粒涂层。在第一颗粒涂层上滴涂0.5ml PTFE(平均粒径1μm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径1μm的PTFE颗粒形成第二颗粒涂层。在第二颗粒涂层上滴涂0.5ml PTFE(平均粒径2μm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径2μm的PTFE颗粒形成第三颗粒涂层。在第三颗粒涂层上滴涂0.5ml PTFE(平均粒径3μm)/乙醇分散液，静置1h至乙醇完全挥发，粒径3μm的PTFE颗粒形成第四颗粒涂层。第一、第二、第三、第四颗粒涂层共同构成多孔层。基底板四周用尺寸适合的PMMA板封装后，滴入0.6ml异丙醇使多孔层完全浸润，然后快速将顶层用PMMA板和PMMA专用胶水密封。
对比例1
一种光温调控器件，由双层塑料作为底层和顶层构成密封腔，腔内夹入多孔高分子薄膜作为光温调控核心，该薄膜材料由偏氟乙烯和六氟丙烯共聚而成，厚度为160μm，孔径分布由0.1-10μm。密封腔侧面有加液口，通过加液口注入异丙醇将多孔高分子薄膜浸润，或通过加液口通入空气使多孔高分子薄膜处于干燥态。
取上述实施例1-5和对比例1所述的光温调控器件，进行性能测试。测试方法如下：
透射率T的测量：将器件放入Perkin Elmer，Lambda 950型UV-VIS-NIRSpectrometer(紫外/可见/近红外分光光度计)中，以10nm的波长间隔，测量波长范围为300-2500nm的波段中器件在两种不同状态下的透射率，然后利用各个测量波长下测得的辐照率进行积分，获得器件对太阳光谱辐照的整体透射率。其中，器件在室温下处于浸润液体浸润多孔层的状态，将器件的基底面置于50℃的热台上，浸润液体受热蒸发，1min后即可使浸润液体完全脱离多孔层，器件转化为浸润液体不浸润多孔层的干燥状态。
对于实施例1-5的器件而言，四氯化碳或异丙醇浸润多孔层状态下器件对太阳光谱辐照的整体透射率记为Tw，四氯化碳或异丙醇不浸润多孔层状态下(即干燥态)器件对太阳光谱辐照的整体透射率记为Td。对于对比例1的器件而言，异丙醇浸润多孔高分子薄膜状态下器件对太阳光谱辐照的整体透射率记为Tw，高分子薄膜干燥状态下器件对太阳光谱辐照的整体透射率记为Td。用ΔT＝Tw-Td作为评价各器件太阳光谱综合调制能力的参数。
升温和降温能力测量：在器件无多孔层侧安装热电偶，将器件和热电偶放置于锡箔纸包好的绝热台上，用太阳能辐照计测试太阳能辐照功率。非润湿状态下，太阳辐射由700-1000Wm-2，持续照射4h；润湿状态下，太阳辐射由300-600Wm-2，持续照射4h。用热电偶记录器件背后的温度变化，将4h内温度上升和下降的平均值作为器件的升高和降低温度度数ti和td。
器件性能测试结果表1和图4所示。
表1器件性能测试数据
从表1和图4的数据可见，在非浸润状态下，实施例1-5由SiO2或PTFE微纳米颗粒及颗粒之间的间隙形成多孔层对太阳光谱的各个波段均具有较强的散射能力，因此可有效地对整个太阳光谱进行调制。相比于对比例1的多孔高分子薄膜由于微观结构所限而对部分波段散射能力不足的情况，实施例1-5的器件对整个太阳光谱的综合调制能力明显更优。进一步地，实施例1-5的器件利用四氯化碳和SiO2颗粒近乎一致的折射率(1.46和1.45)，或异丙醇与PTFE颗粒近乎一致的折射率(1.38和1.35)，在浸润状态下器件实现了极高的透射率，对于光透射条件下升高器件内侧温度有明显的增益作用，内侧升温效应明显优于对比例1。另外，在非浸润状态下，实施例1-5的器件拥有较低的透射率加上SiO2大于97％的大气窗口(8-13μm)发射率，能够实现优于对比例1的降温效果。
以上结果表明，本公开的自适应温度管理器件通过在基底层上堆积微纳米级颗粒，特别是堆积多层不同粒径的微纳米级颗粒，形成了能高效反射太阳辐射的多孔涂层(透射率＜20％)；通过选择与微纳米级颗粒折射率匹配的浸润液体，将多孔涂层浸润，又可实现对太阳辐射的高效透射(透射率＞90％)。封装有多孔涂层和浸润液体的器件利用器件两侧的温差，通过浸润液体的液-气相变而实现自适应的透过/反射调节；太阳光透过时，可利用太阳辐射自动加热，阳光反射时，结合辐射制冷，可实现自动降温。本公开的自适应温度管理器件实现调节的过程简单，不需外加繁琐操作即可自行开展调节，在可见光波段的调制效果(85％)远大于传统电致变色材料(70％)，整个太阳光谱的调制效果也优于现有技术报道的最好效果(80％与74％)。本公开的自适应温度管理器件不仅能做到快速响应调制太阳光谱，同时还能够自动根据室内外温差进行光学调制。
此外，本公开的自适应温度管理器件具有由微纳米级颗粒堆积而成的多孔层结构，可通过改变颗粒的粒径、层数等参数而方便地调整其光温管理参数，对于不同的应用需求具有良好的适应性。由微纳米级颗粒堆积而成的多孔层结构还具有良好的稳定性，相比于在强烈光照下迅速劣化、性能降低的高分子薄膜等器件，本公开的自适应温度管理器件具有耐恶劣环境、使用寿命长的优点。
虽然已经参考优选实施例详细地示出和描述了本发明的特征，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的精神的情况下，可以在其中进行其他改变。同样地，各种图可以描绘用于本公开的示例性架构或其他配置，其用于理解可以包括在本公开中的特征和功能。本公开不限于所示出的示例架构或配置，而是可以使用各种替代架构和配置来实现。另外，尽管以上根据各种示例性实施例和实现描述了本公开，但是应当理解，在一个或多个单独实施例中描述的各种特征和功能不限于它们对于它们所属的特定实施例的适用性的描述。相反，它们可以单独地或以某种组合方式应用于本公开的一个或多个其他实施例，无论是否描述了这样的实施例，以及这些特征是否被呈现为所描述的实施例的一部分。因此，本公开的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制。
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