一种辐射制冷涂料及其制备方法和应用

本发明涉及功能涂料，更具体地，涉及一种辐射制冷涂料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着全球城市化进程的加剧，使用空调等传统的制冷方式对城市中的建筑进行降温每年都要消耗大量的能源，而且制冷剂的使用还可能导致一系列的环境问题。而辐射制冷在不需要消耗电力的条件下就能够实现对物体表面降温的被动制冷，近年来得到了广泛的关注。

2、辐射制冷的原理是通过反射太阳光并将物体的热量以红外辐射的方式发射到外太空，从而实现对物体的降温。因此要想实现日间低于环境温度的制冷效果，就要保证辐射制冷材料具有良好的光谱选择性，即不仅在太阳光波段(0.3～2.5μm)具有高反射率以减少对太阳辐射热量的吸收，还要在大气窗口波段(8～13μm)具有高发射率以增大其向外太空发射红外辐射的能力。

3、辐射制冷涂料能够通过填料复配实现良好的光谱选择性，进而获得优异的制冷效果。其中的功能填料是决定辐射冷却涂料的光谱选择性及冷却性能的关键，现在常用的功能填料一般难以兼顾带隙宽度和折射率的性能要求，而多种功能填料混合使用又不可避免地增加了涂料的黏度，导致加工难度变大。此外，现有辐射制冷涂料普遍忽略热传导的影响，不利于制冷效果的发挥。因此，有必要提供一种成分简单、具有高光谱选择性以及良好制冷效果的辐射制冷涂料。

技术实现思路

1、鉴于于以上问题，本发明的目的在于提供一种辐射制冷涂料，相比现有辐射制冷涂料，本发明提供的辐射制冷涂料仅使用一种功能填料就同时实现高太阳光反射率、高大气窗口发射率和高热导率，其制冷效果优异，且制备工艺简单，易于大规模生产。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种辐射制冷涂料，其原料包括：功能粉体、红外树脂基体以及溶剂；所述功能粉体的成分为：β-si3n4晶粒，及位于β-si3n4晶粒表面的y-si-o-n化合物膜层；所述β-si3n4晶粒的直径为0.1μm～6μm；所述y-si-o-n化合物膜层的厚度为1nm～5nm。

4、本发明的辐射制冷涂料主要由随机分散的具有光谱选择性的功能粉体和红外树脂基体构成。所述功能粉体在太阳光波段和大气窗口波段具有高反射率，其中，β-si3n4晶粒由于β-si3n4材料本身的性质、合适的相组成以及与太阳光波长相匹配的直径分布，赋予了功能粉体高光谱选择性；而均匀包覆在晶粒表面的y-si-o-n化合物膜层具备高折射率，可进一步增加功能粉体对太阳光的散射作用。另外，这种功能粉体结构尺寸还能够保证β-si3n4晶粒在树脂基体内部彼此搭接，形成相互桥接的热传导通路，从而赋予辐射制冷涂料更高的热导率。

5、进一步，所述功能粉体与红外树脂基体的质量比为2～10:1～9；优选为3～8:3～5；其中，该比例的辐射制冷涂料可以单独成膜；更优选为6～8:3～4。其中，该组成比例的辐射制冷涂料的制冷效果更佳。

6、进一步，红外树脂基体为聚氟乙烯、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯中的至少一种。其中，本发发明提供的红外树脂基体具有更优地辐射制冷效果。

7、示例性地，所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)，丙酮等。

8、进一步，所述β-si3n4晶粒为六方棱柱状结构和/或长柱状结构；优选为六方棱柱状结构；所述β-si3n4晶粒的平均长径比为3～6。其中，所述平均长径比是指长轴/短轴之比，即纵横比的平均值；所述六方棱柱状结构不限于标准的六方棱柱状结构还包括近似六方棱柱状的结构。

9、可以理解，所述β-si3n4晶粒为六方棱柱状结构时，其直径指的是六方底面对角线的距离。

10、进一步，所述y-si-o-n化合物膜层为非晶态；

11、优选地，所述β-si3n4晶粒的β相含量≥95％。

12、示例性地，所述功能粉体的制备方法，包括以下步骤：

13、将硅粉、α-si3n4粉体以及y2o3粉体按比例称重，混合后在氮气中进行燃烧合成反应获得所述功能粉体。

14、其中，以α-si3n4作为稀释剂相比于以β-si3n4作为稀释剂进行燃烧合成反应得到的功能粉体具有更优异的光谱选择性，这主要是因为α-si3n4到β-si3n4相变的溶解沉淀过程能够将晶格缺陷扩散至晶格外，且α-si3n4的高反应活性也有利于使β-si3n4晶粒形成六方棱柱状的晶粒形状。

15、示例性地，所述硅粉的粒径为1μm～5μm，所述α-si3n4粉体的粒径为0.5μm～8μm。其中，硅粉和α-si3n4粉体的粒径会对反应温度和反应产物的晶粒尺寸有影响，若其粒径太大不仅导致反应不彻底，而且功能粉体的直径也会随之增大。

16、示例性地，所述α-si3n4粉体中，α相的含量为80％～95％。

17、示例性地，所述硅粉与α-si3n4粉体的质量比为1～3:1～3；所述y2o3粉体与硅粉的质量比为0.01～1:20，优选为0.1～1:20。

18、示例性地，所述燃烧合成反应的反应压力为1mpa～10mpa；优选为3mpa～10mpa。

19、示例性地，所述燃烧合成反应，具体包括以下步骤：

20、将混合均匀的反应原料装入铺有碳毡的料框内，并置于燃烧合成的反应釜中；在反应釜中充入氮气，点火后反应原料自发进行燃烧合成反应。

21、第二方面，本发明提供一种上述辐射制冷涂料的制备方法，包括以下步骤：

22、功能粉体与溶剂混合，超声分散10～20min，得到悬浊液；

23、将红外树脂基体与所述悬浊液混合，加热搅拌至红外树脂基体溶解于溶剂中。

24、第三方面，本发明提供一种辐射制冷涂层，由上述辐射制冷涂料涂覆在基材或设备表面获得。

25、进一步，所述涂覆包括但不限于：机器喷涂，手工浸、刷、喷等任意工艺。

26、进一步，所述基材选自为金属、塑料、橡胶、混凝土、水泥、沥青、瓷砖、玻璃和有机合成材料中的一种。

27、进一步，所述辐射制冷涂层的厚度为100μm-500μm；优选为250μm～350μm。

28、另需注意的是，如果没有特别说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及以端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。本发明中制备方法如无特殊说明则均为常规方法，所用的原料如无特别说明均可从公开的商业途径获得或根据现有技术制得，所述试剂若无特殊说明均为分析纯。

29、本发明的有益效果

30、本发明提供的辐射制冷涂料具有良好的光谱选择性，具体在太阳光波段(0.3～2.5μm)的平均反射率(rsolar)≥0.80，在大气窗口波段(8～13μm)的平均发射率(ε)≥0.90。同时，该辐射制冷涂料具有成分简单、稳定性好、加工性能优异等特点，能够在多种基材表面良好地附着，可以满足多种制冷领域的不同需求。

31、本发明提供的辐射制冷涂料制备方法操作简便、绿色环保、便于大量生产，有望在建筑冷却等领域得到广泛应用。