一种多功能彩色辐射制冷材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于辐射制冷材料领域，特别涉及一种多功能彩色辐射制冷材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近几十年来，能源危机与全球变暖是当今世界面临的重大挑战。目前，制冷能耗约占全球总用电量的10％。提高现有制冷系统效率和探索新型制冷技术成为目前亟待开展的工作。辐射制冷技术是一种被动式的零能耗和零环境污染的冷却策略。辐射制冷技术目前在建筑节能、个人热管理、光电冷却以及集水等领域都具有广阔的应用前景。

2、根据热力学第二定律，热量总是会自发地从高温物体的表面传递到低温物体的表面，这个过程是不可逆的。外太空的温度只有3k左右，远远低于地球上任何物体的温度。因此，物体可以自发地以热辐射的形式向外层空间散发自己的热量以降低其温度，从而实现辐射冷却。所有大气成分的共同作用导致最低大气辐射波长范围为8至13μm，即所谓的“大气窗口”。大气窗口与陆地物体热辐射的波长范围重叠。因此，任何陆地物体都可以通过大气窗口有效地通过热辐射将热量辐射到冷宇宙，以保持自身冷却。为了最大限度地提高材料的辐射制冷能力，需要精确控制材料的光学特性，以确保在0.3-2.5μm的整个太阳光谱上接近零的吸收率或高反射率，以及通过大气透明窗口的强热辐射，也就是8-13μm中红外区域的高红外发射率。

3、但是，传统的辐射制冷材料存在着颜色单一、功能单一以及成本高等问题，限制了它们的应用。目前，使用传统着色剂(例如染料等)制备彩色辐射冷却材料会不可避免地吸收太阳光，导致物体被加热，从而抵消辐射制冷效应。因此需要开发多功能、低成本的彩色高效辐射制冷材料来满足兼具美观和功能的实际应用需求。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种多功能彩色辐射制冷材料；所述的辐射制冷材料由上层提供鲜艳的结构色以及高中红外发射率的cnc层、下层提供高反射率以及长余辉性能，同时将吸收的部分太阳光转化为荧光发射出去，减少太阳光对材料的加热的长余辉粉末层和底层的基材组成。该辐射制冷材料具有高效的辐射制冷能力，鲜艳的彩色外观以及长余辉发光性能，还可以通过丝网印刷得到荧光图案和结构色图案。

2、本发明的又一目的在于提供一种上述多功能彩色辐射制冷材料的制备方法。

3、本发明的再一目的在于提供一种上述多功能彩色辐射制冷材料的应用。

4、本发明的目的通过下述技术方案实现：

5、一种多功能彩色辐射制冷材料，该材料由上而下包括纤维素纳米晶层、长余辉发光层和无纺布基材。

6、所述纤维素纳米晶层提供结构色以及高达90％的中红外发射率；所述长余辉发光层提供高达90％的太阳反射率以及长余辉性能，同时将吸收的部分太阳光转化为荧光发射出去，减少太阳光对材料的加热。

7、上述的一种多功能彩色辐射制冷材料的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)使用微晶纤维素制备浓度为1wt％的纤维素纳米晶(cnc)悬浮液；

9、(2)使用纸浆板制备浓度为2wt‰的纤维素纳米纤维(cnf)悬浮液；

10、(3)将长余辉发光粉末和步骤(2)所得纤维素纳米纤维(cnf)悬浮液混合后沉积在无纺布基材上，自然干燥，在无纺布基材上覆盖了长余辉发光层；

11、(4)将步骤(1)所得纤维素纳米晶(cnc)悬浮液和聚乙二醇(peg)溶液混合后继续沉积在长余辉发光层的上面，自然干燥，最终得到多功能彩色辐射制冷材料。

12、步骤(1)所述纤维素纳米晶(cnc)悬浮液具体按照以下步骤制备得到：将微晶纤维素倒入硫酸中进行酸水解，酸水解结束后倒入去离子水中，将所得沉淀离心、水洗，透析后再次离心并超声，得到纤维素纳米晶(cnc)悬浮液。

13、所述酸水解的温度为45℃，酸水解的时间为80min；所述硫酸为质量分数64％的硫酸；所述微晶纤维素和硫酸的用量比例为17g：300ml。

14、步骤(2)所述纤维素纳米纤维(cnf)悬浮液具体按照以下步骤制备得到：使用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(tempo)、溴化钠(nabr)、次氯酸钠(naclo)对纸浆板进行氧化反应，反应过程中使用盐酸溶液(hcl)和氢氧化钠溶液(naoh)调节反应体系ph值，反应结束后将沉淀过滤、水洗，然后超声、离心得到纤维素纳米纤维(cnf)悬浮液。

15、所述反应体系ph值保持在10；所述的2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基、溴化钠、次氯酸钠和纸浆板的用量比例为0.16g：1g：62ml：10g；所述盐酸溶液和氢氧化钠溶液的浓度均为0.1mol/l。

16、步骤(3)所述长余辉发光粉末为sral2o4:eu2+,dy3+或caal2o4:eu2+,dy3+；所述长余辉发光粉末和纤维素纳米纤维(cnf)悬浮液中的纤维素纳米纤维的质量比为3：1。

17、步骤(4)所述聚乙二醇(peg)溶液的浓度为1wt％；所述纤维素纳米晶(cnc)悬浮液中的纤维素纳米晶，和聚乙二醇(peg)溶液中的聚乙二醇的质量比为9：1、8：2或7：3。

18、上述的多功能彩色辐射制冷材料在辐射制冷领域以及应急显示领域中的应用。

19、与现有技术相比，本发明具有如下的优点及效果：

20、(1)本发明多功能彩色辐射制冷材料的制备方法简单，采用的cnc和cnf都是可降解、可再生的材料，原料易得，成本低廉。

21、(2)与其他彩色辐射制冷材料相比，本发明利用cnc的手性向列结构的布拉格反射赋予材料鲜艳的颜色，避免了传统着色剂对太阳光的吸收，减少了太阳对于加热的效果，提升了辐射制冷性能。

22、(3)本发明引入的长余辉粉末提高材料反射率的同时还赋予了材料长余辉发光的性能，不仅提高了材料的辐射制冷效果，还可以实现应急显示等功能。

23、(4)本发明多功能彩色辐射制冷材料具有高反射率和发射率，户外实验中能够实现平均低于环境温度9℃的冷却效果，具有巨大的节能潜力。

24、(5)本发明多功能彩色辐射制冷材料制备方法具有广泛的通用性，可以用在不同材质的基材上提升基材的辐射制冷效果。

技术特征：

1.一种多功能彩色辐射制冷材料，其特征在于：该材料由上而下包括纤维素纳米晶层、长余辉发光层和无纺布基材。

2.根据权利要求1所述的一种多功能彩色辐射制冷材料，其特征在于：所述纤维素纳米晶层提供结构色以及高达90％的中红外发射率；所述长余辉发光层提供高达90％的太阳反射率以及长余辉性能，同时将吸收的部分太阳光转化为荧光发射出去，减少太阳光对材料的加热。

3.根据权利要求1所述的一种多功能彩色辐射制冷材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述纤维素纳米晶悬浮液具体按照以下步骤制备得到：将微晶纤维素倒入硫酸中进行酸水解，酸水解结束后倒入去离子水中，将所得沉淀离心、水洗，透析后再次离心并超声，得到纤维素纳米晶悬浮液。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述酸水解的温度为45℃，酸水解的时间为80min；所述硫酸为质量分数64％的硫酸；所述微晶纤维素和硫酸的用量比例为17g：300ml。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述纤维素纳米纤维悬浮液具体按照以下步骤制备得到：使用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基、溴化钠、次氯酸钠对纸浆板进行氧化反应，反应过程中使用盐酸溶液和氢氧化钠溶液调节反应体系ph值，反应结束后将沉淀过滤、水洗，然后超声、离心得到纤维素纳米纤维悬浮液。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述反应体系ph值保持在10；所述的2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基、溴化钠、次氯酸钠和纸浆板的用量比例为0.16g：1g：62ml：10g；所述盐酸溶液和氢氧化钠溶液的浓度均为0.1mol/l。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述长余辉发光粉末为sral2o4:eu2+,dy3+或caal2o4:eu2+,dy3+；所述长余辉发光粉末和纤维素纳米纤维悬浮液中的纤维素纳米纤维的质量比为3：1。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述聚乙二醇溶液的浓度为1wt％；所述纤维素纳米晶悬浮液中的纤维素纳米晶，和聚乙二醇溶液中的聚乙二醇的质量比为9：1、8：2或7：3。

10.根据权利要求1所述的多功能彩色辐射制冷材料在辐射制冷领域以及应急显示领域中的应用。

技术总结本发明属于辐射制冷材料领域，公开了一种多功能彩色辐射制冷材料及其制备方法和应用。本发明构筑了具有鲜艳结构色的纤维素纳米晶上层和具有高反射率的长余辉发光下层，并将其依次沉积在无纺布基材上得到了多功能彩色辐射制冷材料。所述材料具有可见光范围内可调的颜色、高反射率、高发射率以及长余辉发光性能，可应用于辐射制冷以及应急显示等领域。户外实验显示，材料能实现平均低于环境温度9℃的冷却效果，具有巨大的节能潜力。技术研发人员：熊锐,周逸受保护的技术使用者：成都伊洛威星新材料科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/29