一种多层相变全年节能材料及其制备方法

本发明属于建筑节能，具体涉及一种多层相变全年节能材料及其制备方法。

背景技术：

1、在当今社会，随着人类活动对环境的影响日益增加，节能减排已成为全球共识。建筑领域作为能源消耗的重要部分，急需创新解决方案以应对能耗问题。尤其是建筑的采暖和冷却需求，消耗了大量的能源，不仅增加了能源成本，也对环境造成了巨大的压力。传统的建筑保温和制冷方法往往是静态的、效率低下的，难以适应不断变化的气候条件和建筑能源效率提升的需求。

2、二氧化钒作为一种热致变色材料，在建筑节能领域的应用前景非常广阔。作为一种热致变色材料，二氧化钒可以在68℃发生可逆相转变。在常温下，其为单斜结构，对红外和可见光透射率较高，呈现半导体性质。当温度高于68℃时，其结构转变为四方结构，红外和可见光的透射率降低，吸收和反射特性增强，呈现金属性质。这种透射率变化在红外波段尤为显著。

3、但现有的二氧化钒应用技术存在成本高、制备工艺复杂等问题，限制了其在建筑节能领域的广泛应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种多层相变全年节能材料及其制备方法，解决现有技术中二氧化钒相变材料成膜较为复杂以及难以实现全年建筑节能的技术问题。

2、为达到上述技术目的，本发明提供的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供了一种多层相变全年节能材料，包括从里向外依次设置的碳化基材层、辐射能收集层和相变辐射开关层；碳化基材层由碳化材料浆体制成；按质量份数计，相变辐射开关层的原料包括改性纳米二氧化钒0.5～25份、聚合物基材20～60份、丙酮130～200份以及二氧化锆0.2～15份。

4、本发明辐射能收集层为具有多色彩装饰功能的冬季辐射吸收层；相变辐射开关通过相变材料的光谱转变实现不同温度下的透过与反射的开关转变，既能实现夏季白天的辐射制冷功能，降低建筑空调能耗，又能防止夜晚的建筑冷却过度。

5、本发明多层相变全年节能材料，其中改性纳米二氧化钒为主要的辐射开关物质，实现相变辐射透过性能的转变；聚合物基材利用丙酮为溶剂，通过相反转的方法形成有机膜基体；二氧化锆为反射填料，在低透过模式下作为散射和反射粒子对入射光形成有效反射，降低太阳辐射吸收。二氧化钒的含量应在合适范围内，过多会导致成膜及高温反射性能的下降，过低会导致低温透过模式下的透过率过低。同样的，二氧化锆含量过低会导致反射性能下降，过多会导致透过模式下的透过率降低。而聚合物基材与丙酮的比例则影响了最终“相反转”成膜的孔组成。

6、优选的，碳化基材层的厚度为5～30mm；辐射能收集层的厚度为80～1000μm；相变辐射开关层的厚度为50～300μm。

7、优选的，按质量份数计，碳化材料浆体的原料包括碳化胶凝材料100～200份、导热填料20～80份和水18～100份。

8、进一步优选的，碳化胶凝材料为可碳酸化反应的钙基化合物和镁基化合物的一种或多种的组合；更优选为硅酸二钙。

9、进一步优选的，导热填料为氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼和碳化硅中的一种或多种任意比例的组合。

10、优选的，辐射能收集层为商用有色漆，有色漆的颜色包括但不限于红、黄、蓝、绿或黑等，为了最大化辐射能的收集以及易于应用，进一步优选为乳化沥青漆。

11、优选的，改性纳米二氧化钒为钼、锶和钨中的一种或多种掺杂的纳米尺寸二氧化钒；改性纳米二氧化钒的尺寸为100～600nm。

12、优选的，聚合物基材为丙烯酸乳液、聚氨酯乳液、氟碳乳液、pdms、pvdf、pmma和ptfe中的一种或多种任意比例的组合。

13、第二方面，本发明提供了一种多层相变全年节能材料的制备方法，包括以下步骤：

14、(1)将碳化材料浆体压制成型，然后置于co2环境下碳化，形成碳化基材层；

15、(2)在碳化基材层的表面涂覆辐射能收集层；

16、(3)在干燥的辐射能收集层表面涂覆相变辐射开关层涂料，固化形成相变辐射开关层。

17、优选的，步骤(1)中，压制成型是在压强为5～20mpa条件下保压5～20秒；co2环境中co2浓度在3％以上；进一步优选为超纯co2或含有浓度为3～95％的co2。

18、优选的，步骤(1)中碳化温度为-30～300℃，碳化时间为12～48h。

19、本发明主要作用机理：

20、本发明的多层相变全年节能材料通过相变材料相变前后为白色和透明两种形态，实现太阳反射和太阳辐射能的透过两种结果；利用夏季高温相变，相变辐射开关层为关闭的状态，实现在可见光及红外区域的太阳辐射的高反射，实现辐射制冷以及隔绝外界辐射热的功能；冬季低温相变材料在可见光及红外区域透明，相变辐射开关层为打开状态，主要以透过为主，展示下面辐射能收集层的颜色，以达到吸热升温的效果，太阳辐射到达辐射能收集层，实现冬季的辐射吸收，利用底层高导热的碳化基材将热量传导下去，以实现冬季建筑加热的效果。

21、与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

22、(1)本发明的多层相变全年节能材料，其中相变辐射开关通过相变材料的光谱转变实现不同温度下的透过与反射的开关转变，在夏季具有良好的辐射制冷功能，具有超过90％的太阳反射率和大气窗口发射率；(2)本发明的多层相变全年节能材料在冬季通过含有改性纳米二氧化钒的相变辐射开关层实现太阳透过率超过70％，通过辐射能收集层吸收太阳热量实现建筑汲热；(3)本发明的多层相变全年节能材料，具有高的导热性能，能够实现快速的制冷和制热能量的传递，实现全年节能。

技术特征：

1.一种多层相变全年节能材料，其特征在于，包括从里向外依次设置的碳化基材层、辐射能收集层和相变辐射开关层；

2.根据权利要求1所述的多层相变全年节能材料，其特征在于，所述碳化基材层的厚度为5～30mm；辐射能收集层的厚度为80～1000μm；相变辐射开关层的厚度为50～300μm。

3.根据权利要求1所述的多层相变全年节能材料，其特征在于，按质量份数计，碳化材料浆体的原料包括碳化胶凝材料100～200份、导热填料20～80份和水18～100份。

4.根据权利要求3所述的多层相变全年节能材料，其特征在于，碳化胶凝材料为可碳酸化反应的钙基化合物和镁基化合物的一种或多种任意比例的组合。

5.根据权利要求3所述的多层相变全年节能材料，其特征在于，导热填料为氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼和碳化硅中的一种或多种任意比例的组合。

6.根据权利要求1所述的多层相变全年节能材料，其特征在于，辐射能收集层为有色漆。

7.根据权利要求1所述的多层相变全年节能材料，其特征在于，改性纳米二氧化钒为钼、锶和钨中的一种或多种掺杂的纳米尺寸二氧化钒；改性纳米二氧化钒的尺寸为100～600nm。

8.根据权利要求1所述的多层相变全年节能材料，其特征在于，聚合物基材为丙烯酸乳液、聚氨酯乳液、氟碳乳液、pdms、pvdf、pmma和ptfe中的一种或多种任意比例的组合。

9.如权利要求1-8任一项所述的多层相变全年节能材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的多层相变全年节能材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，压制成型是在压强为5～20mpa条件下保压5～20秒；co2环境中co2浓度在3％以上；碳化温度为-30～300℃，碳化时间为12～48h。

技术总结本发明公开一种多层相变全年节能材料及其制备方法，包括从里向外依次设置的碳化基材层、辐射能收集层和相变辐射开关层；碳化基材层由碳化材料浆体制成；按质量份数计，相变辐射开关层的原料包括改性纳米二氧化钒0.5～25份、聚合物基材20～60份、丙酮130～200份以及二氧化锆0.2～15份。本发明的多层相变全年节能材料中，相变辐射开关通过相变材料的光谱转变实现不同温度下的透过与反射的开关转变，在夏季具有良好的辐射制冷功能，具有超过90％的太阳反射率和大气窗口发射率，在冬季实现太阳透过率超过70％，通过辐射能收集层吸收太阳热量实现建筑汲热，实现全年节能。技术研发人员：杨露,王发洲,徐信刚,胡曙光,刘志超受保护的技术使用者：武汉理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18