一种辐射制冷纱线及其制备方法、应用 |
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| 申请号 | CN202410019023.0 | 申请日 | 2024-01-04 | 公开(公告)号 | CN117867711A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 东莞澳中新材料科技股份有限公司; 澳中新材料科技(韶关)有限公司; 澳华新材料科技(韶关)有限公司; | 发明人 | 王明辉; 谢彬; 王秋波; 陈鹏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 辐射 制冷 纱线 及其制备方法、应用，该辐射制冷纱线包括芯层与皮层，透明的皮层包覆芯层；芯层包括高反射型粒子、微孔；其中，高反射型粒子在 波长 0.25~2.5μm下，太阳 光谱 吸收率≤5%。本发明所提供的辐射制冷纱线中含有的微孔结构能够对 太阳光谱 （波长0.25~2.5μm）进行多次的散射和衍射，最终对太阳光谱具有较高的反射率。与此同时，所添加的高反射型粒子也对太阳光谱具有较高的反射率。由此，二者协同作用下，使得纱线的芯层结构具有较高的太阳光谱的反射率。因而，本发明所提供的辐射制冷纱线具有优秀的制冷效果。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种辐射制冷纱线，其特征在于，所述辐射制冷纱线包括芯层与皮层，透明的所述皮层包覆所述芯层；所述芯层包括高反射型粒子、微孔； |
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| 说明书全文 | 一种辐射制冷纱线及其制备方法、应用技术领域[0001] 本发明属于功能纺织材料技术领域，尤其涉及一种辐射制冷纱线及其制备方法、应用。 背景技术[0002] 环境污染致使全球各地气温普遍升高，高温天气给人类生活带来许多不便尤其是在炎热的夏天。传统的蒸汽压缩冷却方式不仅消耗大量的化石能源，而且产生了严重的环境污染。压缩中使用的典型气体介质，或是消耗臭氧，或是具有强烈的温室效应，而且对人体也有一定的危害。此外，这种冷却策略只是把热量从地球表面的一处转移到另一处，此过程中同时包含着把功转化为热的过程。在全球变暖的情况下，以上问题变得越来越严重，因此，在不释放温室气体的情况下如何保持人体凉爽是一种挑战。 [0003] 地球物体可以将热量通过热辐射的形式散发到外层空间。在研究者们的不断探索下，被动辐射技术制冷的出现为解决全球气候问题提供了新的思路。其新奇之处在于它能在不需要任何额外能量的输入下有效地反射太阳光，并通过大气窗口，将能量辐射到外太空实现冷却。辐射制冷技术通过材料的选择和结构的设计，使物体在太阳辐射0.3μm～2.5μm波段间能够实现高反射率，并且在人体热辐射7μm～14μm波段间能够实现高发射率。进而极大地阻挡太阳辐射热量输入的同时，使人体热量经过中红外大气窗口(8μm～13μm)辐射到太空冷源，有效地实现零能耗降温目的，成为满足热舒适需求的经济节能的方法。 [0004] 多孔结构的出现有效缓解了其他结构所带来的制备操作复杂、难以满足大规模应用和大面积需求等缺陷，具有一定的便利性。通过光散射孔隙代替反射，不仅可以消除以上阻碍，而且可以减低环境和材料成本。现有的多孔冷却器的设计研究大多集中在多孔形态的多样性上，以最大限度地提高其设计的冷却效果。如中国专利CN 115897242 A，提供一种微多孔辐射制冷纱线及面料及其制备方法，该微多孔辐射制冷纱线具有多孔结构，且由纱线基体及其表面复合的涂层构成，所述涂层包括成纤聚合物和无机微纳颗粒物。然而，该专利虽然形成了多孔结构，但是将随机填充和沉积在多孔聚合物的设计难免会对其孔隙造成堵塞和挤压，影响冷却器的光学结构和制冷效果。 [0005] 因此，如何改善辐射制冷冷却器的结构来提升其制冷效果是具有现实应用价值的。 发明内容[0006] 为了改善增强辐射制冷纱线的制冷效果，本发明提供一种辐射制冷纱线及其制备方法、应用。 [0007] 根据本发明的一个方面，提供一种辐射制冷纱线，该辐射制冷纱线包括芯层与皮层，透明的皮层包覆芯层；芯层包括高反射型粒子、微孔；其中，高反射型粒子在波长0.25～2.5μm下，太阳光谱吸收率≤5％。本发明所提供的辐射制冷纱线的芯层结构中含有的微孔结构能够对太阳光谱(波长0.25～2.5μm)进行多次的散射和衍射，最终对太阳光谱具有较高的反射率。与此同时，纱线结构的皮层也对大气窗口具有较高的发射率。由此，二者协同作用下，使得纱线的皮芯层结构具有较高的太阳光谱的反射率和大气窗口发射率。因而，本发明所提供的辐射制冷纱线具有优秀的制冷效果。 [0008] 优选地，高反射型粒子包括TiO2、SiO2、BaSO4、SiC、CaCO3、ZnO中的至少一种。 [0009] 优选地，高反射型粒子的粒径为0.01～500um。 [0010] 优选地，微孔的尺寸为0.01～500μm。 [0011] 优选地，在芯层中，按照体积百分比计算，所述微孔为30～50％。微孔含量会对其反射效果带来影响，其中，当微孔含量过多容易导致芯层结构发生坍塌；而当微孔含量过少时，容易导致反射率较低。 [0012] 优选地，在芯层中，按照体积百分比计算，所述高反射型粒子为2～10％。恰当的高反射型粒子与微孔的体积含量，能够协同作用，增强光路调控效果，提高二者的太阳光反射效果。 [0013] 优选地，芯层还包括芯层聚合物，高反射型粒子与所述芯层聚合物不相容。利用高反射型粒子与芯层聚合物的不相容性，能够形成有序的微孔结构，进而提高辐射制冷纱线中微孔结构的完整性。 [0014] 优选地，芯层聚合物包括至少两种不相容的聚合物。不相容的芯层聚合物也能在拉伸过程中够产生微孔，从而能够提高芯层中的微孔含量，调控芯层的光路调控能力，进而增强辐射制冷纱线的制冷效果。 [0015] 优选地，第一聚合物包括对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯中的至少一种；和/或，第二聚合物包括聚甲基戊烯、聚丙烯、环烯烃共聚物、聚苯乙烯中的至少一种。通过合理搭配不同的聚合物，不仅能够增加为纱线芯层的微孔含量，进而提高其制冷效果，还能保证纱线的柔韧性与加工性。 [0016] 优选地，在芯层中，按照体积百分比计算，高反射型粒子为2～10％，微孔为30～50％，第一聚合物为16～33％，第二聚合物为24～35％。 [0017] 优选地，在芯层中，按照体积百分比计算，高反射型粒子为2.5～5％，微孔为32～40％，第一聚合物为25～40.5％，第二聚合物为25～30％。 [0018] 优选地，皮层包括高发射型粒子、皮层聚合物；皮层聚合物、高发射型粒子在波长8～13μm下，红外光谱发射率≥85％，太阳光谱吸收率≤5％。 [0019] 优选地，高发射型粒子的粒径为0.01um～500um。 [0020] 优选地，在皮层中，按照体积百分比计算，高发射型粒子为0.1～5％、皮层聚合物为95～99.9％。 [0021] 优选地，在皮层中，按照体积百分比计算，高发射型粒子为0.1～3％、皮层聚合物为97～99.9％。 [0022] 优选地，在皮层中还包括助剂，该助剂包括紫外阻隔助剂、抗氧剂、抗菌剂、色粉中的至少一种。通过加入助剂，可富裕辐射制冷纱线特殊的功能，进而提高其耐久性、功能性、外观性能。 [0023] 优选地，芯层直径为0.05～1mm，辐射制冷纱线的直径为0.1～1.1mm。根据本发明的第二个方面，提供一种制备如上辐射制冷纱线的制备方法，该制备方法包括如下步骤：S1.将高反射型粒子、芯层聚合物经熔融共混处理后，通过拉伸工艺处理制得芯层；S2.将皮层物料对芯层进行包覆处理，制得辐射制冷纱线。基于现有技术，提供一种具有微孔且可连续生产的多层纤维结构，解决了原有溶剂法溶解致孔的纤维生产方法存在的纤维强度低、生产过程需要溶剂污染环境问题。而本发明所提供的制备方法，通过拉伸工艺处理制备微孔，并控制微孔的大小、形状及数量，能够提高辐射制冷纱线产率和制冷效果。 [0024] 优选地，在S2中，将高发射型粒子、皮层聚合物对芯层进行包覆处理，制得辐射制冷纱线。 [0025] 优选地，在S2中，包覆处理为通过熔融共混包覆处理或浸润包覆处理在芯层表面形成皮层。 [0026] 优选地，在S2中，包覆处理为将高发射型粒子、皮层聚合物进行熔融共混后包覆在芯层表面，制得辐射制冷纱线。熔融包覆工艺是较为成熟的纤维挤出包覆工艺，其具有成本低且过程无污染的特点。 [0027] 优选地，当S2使用熔融包覆工艺时，皮层聚合物的熔融指数为2～15g/10min。 [0028] 优选地，皮层聚合物包括聚氯乙烯、热塑性聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚己二醇、聚偏二氯乙烯、聚全氟乙丙烯、乙烯‑四氟乙烯共聚物、聚乙烯醇中的至少一种。 [0029] 优选地，在S2中，包覆处理为将高发射型粒子、皮层聚合物溶解于溶剂中得到包覆液，随后，将芯层浸润于包覆液，制得辐射制冷纱线。浸润包覆工艺能够在芯层表面形成均匀的皮层。 [0030] 优选地，皮层聚合物包括聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯中的至少一种。 [0032] 图1为本发明实施例1所提供辐射制冷纱线的横截面结构示意图； [0033] 附图标号说明：11高反射型粒子；12微孔；13第一聚合物；14第二聚合物；21高发射型粒子；22皮层聚合物； [0034] 图2为实施例5辐射制冷纱线截面结构示意图； [0035] 图3为实施例6辐射制冷纱线截面结构示意图； [0036] 图4为实施例7辐射制冷纱线截面结构结构示意图。 [0037] 图5为实施例1所提供的辐射制冷织物的太阳光谱反射率图谱； [0038] 图6为实施例1所提供的辐射制冷织物的半球发射率图谱； 具体实施方式[0039] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例和实施例中的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。 [0040] 实施例1 [0041] 1.制备辐射制冷纱线所需原料 [0042] 本实施例按照如表1所示准备原料。 [0043] 表1.实施例1制备辐射制冷纱线所需原料 [0044] [0045] 2.辐射制冷纱线的制备 [0046] S1.将高反射型粒子、第一聚合物、第二聚合物、相容剂(PP‑g‑MAH)加入双螺杆进行熔融共混，得到均相的混合物料，再将物料投入具有纵向拉伸工艺的纺丝设备制得芯层纤维。 [0047] S2.将高发射型粒子、皮层聚合物、紫外阻隔剂、抗氧剂通过双螺杆熔融共混，得到均相的包覆物料，再通过熔融包覆工艺，将包覆物料通过纤维包覆设备包覆在芯层纤维上，得到辐射制冷纱线，所得纱线横截面为边长为0.3mm的正方形结构(如图1所示)，其中芯层为边长0.25mm的正方形结构，皮层厚度为0.05mm。 [0048] 3.织物的制备 [0049] 将所得辐射制冷纱线通过梭织工艺织成织物，所得织物的孔隙率为2％。所得纱线制备成织物的太阳光反射率91％，大气窗口发射率94％。 [0050] 实施例2 [0051] 本实施例参考实施例1所提供的配方与方法制备辐射制冷纱线，与实施例1相区别的是，本实施例所得纱线横截面为边长为0.15mm*0.2mm的方形结构，皮层平均厚度为0.05mm，除上述区别以外，本实施例制备辐射制冷纱线、织物的操作步骤与实施例1严格保持一致。其中，在本实施例中，所得纱线制备成织物的太阳光反射率90％，大气窗口发射率 92％。 [0052] 实施例3 [0053] 本实施例参考实施例1所提供的配方与方法制备辐射制冷纱线，与实施例1相区别的是，本实施例所得纱线横截面为0.3mm*0.45mm的方形结构，皮层平均厚度为0.05mm，除上述区别以外，本实施例制备辐射制冷纱线、织物的操作步骤与实施例1严格保持一致。其中，在本实施例中，所得纱线制备成织物的太阳光反射率92％，大气窗口发射率95％。 [0054] 实施例4 [0055] 本实施例参考实施例1所提供的配方与方法制备辐射制冷纱线，与实施例1相区别的是，本实施例所用高发射型粒子为2μm的球形TiO2粒子，所用皮层聚合物为聚氨酯，除上述区别以外，本实施例制备辐射制冷纱线、织物的操作步骤与实施例1严格保持一致。所得纱线制备成织物的太阳光反射率91％，大气窗口发射率94％。 [0056] 实施例5 [0057] 本实施例参考实施例2所提供的配方与方法制备辐射制冷纱线，与实施例2相区别的是，本实施例所得纱线横截面为边长为0.3mm的三角形结构(如图2所示)，芯层为0.15mm*0.1mm方形结构，除上述区别以外，本实施例制备辐射制冷纱线、织物的操作步骤与实施例2严格保持一致。所得纱线制备成织物的太阳光反射率90％，大气窗口发射率94％。 [0058] 实施例6 [0059] 本实施例参考实施例2所提供的配方与方法制备辐射制冷纱线，与实施例2相区别的是，本实施例所得纱线横截面为星形结构(如图3所示)，其最长边为0.3mm，其中芯层为0.15mm*0.1mm方形结构，除上述区别以外，本实施例制备辐射制冷纱线、织物的操作步骤与实施例2严格保持一致。所得纱线制备成织物的太阳光反射率90％，大气窗口发射率94％。 [0060] 实施例7 [0061] 本实施例参考实施例2所提供的配方与方法制备辐射制冷纱线，与实施例2相区别的是，本实施例所得纱线横截面为圆形结构(如图4所示)，半径为0.3mm，其中芯层为0.15mm*0.1mm方形结构，除上述区别以外，本实施例制备辐射制冷纱线、织物的操作步骤与实施例2严格保持一致。所得纱线制备成织物的太阳光反射率90％，大气窗口发射率93％。 [0062] 实施例8 [0063] 本实施例参考实施例1所提供的配方与方法制备辐射制冷纱线，与实施例1相区别的是，本实施例在S2中使用浸润包覆工艺，除上述区别以外，本实施例制备辐射制冷纱线、织物的操作步骤与实施例1严格保持一致。具体地，浸润包覆工艺的操作为：首先将皮层聚合物聚氨酯、球形二氧化硅在100℃，溶解在二甲苯溶液中制备出浸润液；然后芯层纤维以60m/min速度通过浸润液，再通过烘道将溶剂烘干，聚氨酯树脂和球形二氧化硅粘附在芯层纤维表面，得到辐射制冷纱线。所得纱线制备成织物的太阳光反射率91％，大气窗口发射率 93％。 [0064] 对比例1 [0066] 对比例2 [0067] 本对比例参考实施例1所提供的配方与方法制备辐射制冷纱线，与实施例1相区别的是，本对比例直接将高反射型粒子与第一聚合物、第二聚合物直接熔融挤出制得芯层(所制得的芯层不含微孔)，除上述区别以外，本对比例制备辐射制冷纱线、织物的操作步骤与实施例1严格保持一致。 [0068] 对比例3 [0069] 本对比例参考实施例1所提供的配方与方法制备辐射制冷纱线，与实施例1相区别的是，本对比例不使用皮层对芯层进行包覆，除上述区别以外，本对比例制备辐射制冷纱线、织物的操作步骤与实施例1严格保持一致。 [0070] 测试例1 [0071] 1.测试对象 [0072] 实施例1～8即对比例1～3所制得的织物。 [0073] 2测试方法 [0074] (1)太阳光反射率和大气窗口发射率：按照行业标准JG/T 235‑2014《建筑反射隔热涂料》测试太阳光反射比和半球发射率，根据数据计算大气窗口(波长8‑13um)的发射率。 [0075] (2)表面温度：在晴天正午12:00，室外气温为32℃，在室外暴晒后测量样品表面温度。 [0076] (3)水蒸气透过率：按照GB/T 12704.1‑2009《纺织品织物透湿性试验方法》测试辐射制冷纱线制备的织物的水蒸气透过率，织物采用相同的织造方法和相同孔隙率。 [0077] 3.测试结果及分析 [0078] 本测试例的测试结果如表2所示。其中，实施例1的太阳光谱反射率图谱如图5所示，从图5中可以看出，织物具有高的太阳光反射率(R)。此外，实施例1所制得的织物其半球发射率光谱曲线如图6所示，从图6中可以看出，实施例1所提供的织物在大气窗口发射率(E)达到94％。 [0079] 对比例1为传统的白色棉织物，相较于其他样品而言，其在正午太阳照射情况下，样品表面的温度较高。由此表明，本发明所提供的纱线及织物具有良好的制冷功能。 [0080] 实施例2～3相比实施例1，为不同方形结构的芯层所制得的纱线，从测试来看，纱线的直径会影响织物的厚度，也会影响其太阳光反射率。实施例1与实施例2相比，将辐射制冷纱线的芯层薄膜厚度从0.25mm降低到0.1mm，纤维宽度从0.25mm降低到0.15mm，其他工艺相同，所得辐射制冷纱线更细，所得织物更薄，柔软性更好，克重更轻。实施例1和实施例3相比，辐射制冷纱线的芯层纤维宽度从0.25mm增加到0.4mm，所得辐射制冷纱线为扁平的纱线，织物的纤维的反射面更大，单位面积的空隙率更小，所得织物的反射率更高，降温效果更明显。其中，在实施例1～3中，实施例3所制得织物的R更高，其可以反射更多太阳热量，因此其表面温度最低。 [0081] 实施例1与实施例4相比，辐射制冷纱线的皮层采用柔软度更好的聚氨酯，得到的辐射制冷纱线更加柔软，韧性和耐磨性更好。 [0082] 实施例4～7为本发明所设计不同结构截面的纱线，从测试结果中可发现，实施例5和实施例6采用三角形或星型的异形截面的纤维，纱线编织的织物更容易吸湿排汗，应用所制得纱线的织物透气率有明显的提高。而实施例7的截面积为圆形，所得纱线和织物的光泽会更均匀，从不同角度看到纤维亮度更加一致，观感更好。 [0083] 实施例8相比与实施1皮层采用浸润方法来包覆芯层纤维，其生产速度更快。 [0084] 在对比例2中由于所制得的纱线没有微孔，所制得纱线的织物R值显著降低。而在对比例3中所制备的纱线没用对芯层进行皮层的包覆处理，导致其E值与制冷效果显著下降。 [0085] 表2.测试例1的测试结果 [0086] [0087] [0088] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。 |
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