一种可实现高效透明被动冷却的共聚水凝胶涂层及其制备方法和应用

本发明属于被动辐射降温，尤其涉及一种可实现高效透明被动冷却的共聚水凝胶涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、对能源效率和环境保护的要求促进了不消耗化石燃料的被动冷却技术的发展。辐射冷却对被动冷却具有重要意义。由于地球表面的平均温度(约290k)明显高于外太空的平均温度(约2.7k)，因此可以利用从地球向宇宙辐射的红外线来冷却地球表面的物体，特别是在大气几乎不吸收热量的8-13μm(大气窗口)波长范围内，来自物体的热辐射可以发射到外太空从而有效地耗散热能。

2、另一方面，受哺乳动物和植物通过蒸发水分冷却自身的启发，人们提出了蒸发冷却的概念。蒸发冷却通过蒸发水释放大量潜热。水的高蒸发焓使其汽化时能够高效地将热量传递到周围环境中，而周围空气中的湿气又使蒸发冷却具有再生能力。蒸发冷却在高温低湿地区非常有效。在湿度大、气候条件恶劣的地区，辐射冷却也能发挥效用，使两者的冷却效果相得益彰。

3、被动辐射冷却通常是通过将高反射率与高发射率相结合来实现的，但是遮光会阻挡视线和信息接收。因此，透明冷却材料在一些重要场合也有很高的需求。例如，在太阳能电池中，需要同时具备高太阳透过率和高效冷却能力；在户外显示屏中，透明冷却添加层也很有吸引力。在这些应用中，透明层中的有效冷却对于抵消光传输过程中产生的热能尤为重要。虽然基于水凝胶的冷却材料可以有效地进行蒸发冷却，但这些材料很难一直保持透明。因此，制造具有高透光率、高效冷却能力的水凝胶材料极具挑战性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种可实现高效透明被动冷却的共聚水凝胶涂层及其制备方法和应用。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种可实现高效透明被动冷却的共聚水凝胶涂层，主体为聚(n-异丙基丙烯酰胺-丙烯酰胺)共聚水凝胶，包括n-异丙基丙烯酰胺链段和丙烯酰胺链段；

4、所述共聚水凝胶涂层的厚度为2.0-2.5毫米。

5、进一步地，所述共聚水凝胶涂层在波长为0.5微米-1.1微米之间的紫外-可见光波段的透射率为92％-98％；所述共聚水凝胶涂层在波长为2.5-16.0微米红外波段的发射率为88％-95％，其中在大气透明窗口(8-13微米波段)的红外发射率为92％-95％。

6、本发明的共聚水凝胶涂层同时具有高透光率和高效的冷却能力，测试结果显示，本发明的共聚水凝胶涂层在太阳光区，可见光透射率高达98％，且始终高于92％，不会如纯聚(n-异丙基丙烯酰胺)水凝胶一样在高于31℃时变成白色，本发明的共聚水凝胶涂层具有优异的透视性能；本发明的共聚水凝胶涂层红外发射率高达95％。同时，本发明的共聚水凝胶涂层的蒸发焓为1798.91j·g-1，高于纯聚(n-异丙基丙烯酰胺)水凝胶(1708.91j·g-1)和纯丙烯酰胺水凝胶(1643.89j·g-1)；本发明的共聚水凝胶涂层的热导率为0.4645w·m-1·k-1，低于纯聚(n-异丙基丙烯酰胺)水凝胶(0.515w·m-1·k-1)和纯丙烯酰胺水凝胶(0.5287w·m-1·k-1)。高蒸发焓意味着需要更高的蒸发能，有利于蒸发冷却；低导热性有助于在周围环境温度变化较大时保持热平衡。

7、本发明还提供一种所述的可实现高效透明被动冷却的共聚水凝胶涂层的制备方法，采用光引发聚合的方法，将具有亲水基团的丙烯酰胺链段引入n-异丙基丙烯酰胺分子链中，得到实现高效透明被动冷却的共聚水凝胶涂层。

8、进一步地，所述可实现高效透明被动冷却的共聚水凝胶涂层的制备方法包括：将n-异丙基丙烯酰胺单体溶液和丙烯酰胺单体溶液混合，得到前驱体溶液，在所述前驱体溶液中加入光引发剂，进行光聚合，得到实现高效透明被动冷却的共聚水凝胶涂层。

9、进一步地，所述n-异丙基丙烯酰胺单体溶液和所述丙烯酰胺单体溶液的质量分数均为25-30％。

10、进一步地，所述n-异丙基丙烯酰胺单体溶液的制备方法为：将n-异丙基丙烯酰胺单体粉末溶于去离子水中，得到n-异丙基丙烯酰胺单体溶液；所述丙烯酰胺单体溶液的制备方法为：将丙烯酰胺单体粉末溶于去离子水中，得到丙烯酰胺单体溶液。

11、进一步地，所述n-异丙基丙烯酰胺单体溶液和所述丙烯酰胺单体溶液的体积比为1:1。

12、进一步地，所述前驱体溶液的制备方法也可以是：将n-异丙基丙烯酰胺单体粉末和丙烯酰胺单体粉末混合，向其中加入去离子水，室温下使其完全溶解，得到前驱体溶液。

13、进一步地，所述光引发剂为前驱体溶液的0.5-1.5wt％。

14、进一步地，所述光引发剂为过硫酸铵。

15、进一步地，所述光聚合的时间为22-30min。

16、更进一步地，所述可实现高效透明被动冷却的共聚水凝胶涂层的制备方法为：

17、将n-异丙基丙烯酰胺单体粉末和丙烯酰胺单体粉末分别溶于去离子水中，得到各自的单体溶液；

18、将n-异丙基丙烯酰胺单体溶液和丙烯酰胺单体溶液混合，得到共聚水凝胶的前驱体溶液；

19、在所述前驱体溶液中加入光引发剂过硫酸铵，转移至培养皿中，放在紫外灯下进行光聚合，得到共聚水凝胶涂层。共聚水凝胶涂层厚度由培养皿中聚合溶液量及培养皿大小决定。

20、进一步地，在紫外灯下进行光聚合时，前驱体溶液距离紫外灯10厘米。

21、本发明还提供所述共聚水凝胶涂层在光伏面板被动冷却中的应用。

22、本发明还提供所述共聚水凝胶涂层在柔性led显示屏被动冷却中的应用。

23、本发明的共聚水凝胶涂层具有很高的附着力，可以粘附在预定的表面上。在厚度为2毫米的共聚水凝胶涂层上附着一个重达2000g的砝码，可将其稳定地悬挂起来，在剧烈摇晃后仍能紧密粘附在一起。定量测量表明本发明的共聚水凝胶涂层的粘附力为37.8±2.18kpa，比纯聚(n-异丙基丙烯酰胺)和聚丙烯酰胺水凝胶分别强45％和119％。此外，本发明的共聚水凝胶具有长期透明度。在环境中放置10个月后，透明度几乎没有变化。而纯聚(n-异丙基丙烯酰胺)和聚丙烯酰胺水凝胶仅在1个月后就会逐渐变黄。

24、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

25、1、本发明所制备的共聚水凝胶涂层通过将具有亲水基团的丙烯酰胺链段引入n-异丙基丙烯酰胺中改变其相变温度，经过优化测试确定了25-30％的单体比例和1∶1的共聚比例，在此特殊比例下制备的共聚水凝胶涂层在微观上具有微相分离结构，在宏观上始终保持透明外观，同时具有高太阳透射率和高中红外发射率，与其他共聚比例相比呈现最佳被动冷却能力。

26、2、本发明所制备的共聚水凝胶涂层具有比纯聚(n-异丙基丙烯酰胺)和聚丙烯酰胺水凝胶更高的蒸发焓，具有更强的蒸发冷却能力，蒸发冷却与辐射冷却相结合进一步提升了水凝胶涂层的冷却效率。同时，本发明所制备的共聚水凝胶涂层具有比纯聚(n-异丙基丙烯酰胺)和聚丙烯酰胺水凝胶更低的热导率，有利于减缓周围环境温度波动的影响、维持热稳态。

27、3、本发明所制备的共聚水凝胶涂层具有很强的粘附性，可以粘贴在常见基底(玻璃、塑料、水泥等)上，便于应用；且持久性良好，可长久保持原先的透明度，不会影响视觉信息的接受，不会影响外观。

28、4、本发明所制备的共聚水凝胶涂层因具有高透明度和高粘附性，可应用于光伏面板和柔性led显示屏的被动冷却，而不需要消耗额外能量，对节省能源消耗具有重要意义。

29、5、本发明所提供的制备方法采用光引发自由基共聚的方法制备可实现高效透明被动冷却的共聚水凝胶涂层，制备工艺简单易操作，周期短，绿色无污染，可实现大批量工业化生产。