一种建筑墙体背阴面散热涂料及其制备方法与流程

2021-02-02 18:02:50|

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本发明属于纳米新材料技术领域，具体地涉及一种建筑墙体背阴面散热涂料及其制备方法。

背景技术：

随着技术的发展，人类对能源的需要越来越高，能源浪费也越来越严重，因此对建筑的温度进行智能调控的呼声越来越高。

目前，界面散热主要是高辐射材料表面散热，例如纯碳化硅、碳管等。但是其辐射率已经达到了常规散热极限(红外辐射率95％)。为了进一步增强散热，热传导热对流等散热原理必须引入并良好的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种建筑墙体背阴面散热涂料及其制备方法，通过本发明方法制备得到的散热涂料具有多级散热结构，并通过合理设计材料堆叠结构实现了单项散热，为界面材料温度的降低提供了可行的方案。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种建筑墙体背阴面散热涂料，所述建筑墙体背阴面的正面散热涂料的原料按重量份计包括：1份球形石墨烯、0.01-0.1份可石墨化高分子低聚物、0.1-5份聚铝硅酸盐、0.1-2份超支化碳硅烷以及0.005-0.01份过氧化物交联剂。所述散热涂料的成型结构具体为：在建筑墙体背阴面的表面以聚硅酸盐层作为底层，碳化硅层作为中间层，聚合物层作为上层，球形石墨烯贯穿三层结构。所述建筑墙体背阴面的反面散热涂料的原料按重量份计包括：1重量份球形石墨烯、0.1-0.5重量份可石墨化高分子低聚物、0.01-0.2重量份超支化碳硅烷以及0.0005-0.001份过氧化物交联剂。

进一步地，所述球形石墨烯是由浓度为0.1mg/ml-1mg/ml的氧化石墨烯溶液喷雾而成，并经过化学还原和热还原制备得到，所述球形石墨烯的id/ig值不小于0.5，且其尺度为0.2-5μm，壁厚小于4个原子层。所述热还原的方法为：在0-250℃下，升温速度小于5℃/min，控制保温0.5-2h；再升温到500℃，升温速度小于5℃/min，控温保持1-2h；然后升温到1300-11200℃，升温速度小于5℃/min，控温保持1-2h。

进一步地，所述石墨化高分子低聚物的种类选自聚酰亚胺、沥青、聚丙烯腈等，分子量为2000-10000。

进一步地，所述超支化碳硅烷的分子量小于10000，支化度为1.1-2。

进一步地，所述过氧化物交联剂为有机过氧化物交联剂；所述有机过氧化物交联剂包括但不限于：过氧化二异丙苯、过氧化甲乙酮、过氧化苯甲酸、2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷。

进一步地，所述聚铝硅酸盐为长石(k2o·al2o3·6sio2)、云母(k2o·2al2o3·6sio2·2h2o)、高岭土(al2o3·2sio2·22h2o)、沸石(na2o·al2o3·3sio2·22h2o)、石榴石(3cao·al2o3·3sio2)。

本发明还提供了一种建筑墙体背阴面散热涂料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将权利要求1所述建筑墙体背阴面的正面热涂料的原料混合均匀，得到建筑墙体背阴面的正面混合涂料。

(2)将权利要求1所述建筑墙体背阴面的反面散热涂料的原料混合均匀，得到建筑墙体背阴面的反面混合涂料。

(3)将步骤1或2获得的混合涂料经离心喷涂，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为60-120℃，时间为1-6h。

(4)随后进行微波或高温加热定型，得到建筑墙体背阴面散热涂料。

进一步地，所述离心的离心力范围为2000-10000rcf。

进一步地，步骤4进行微波或高温加热定型的具体方法为：在0-250℃下，升温速度小于5℃/min，控制保温0.5-2h；然后升温到500℃，升温速度小于3℃/min，控温保持1-2h；然后瞬态升温到1200℃，控温保持1-10min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：其一，本发明利用离心喷涂的方式，根据材料密度不同实现了涂层材料的层层定向组装，并最终实现了单项散热；其二，合理调控球形石墨烯和其他辅料的比例，实现了多级多维度散热结构的结合。其中碳化硅起到增强界面，增加辐射的作用；可碳化纳米薄膜链接球形石墨烯和碳化硅；球形石墨烯有三个作用：其一，将热从界面引导而出，到高比表面积球形石墨烯上，其二，球形石墨烯具有高辐射率，极大增强碳化硅的辐射效果，其三，球形石墨烯表面具有缺陷态结构，可以和气体具有良好的热对流作用，进一步增强材料界面散热。该正面散热涂料利用球形石墨烯的褶皱形结构，在高分子的凝聚结合作用下，在小分子无机粒子粒径尺度的配合下，在无机高反射薄膜的辅助下，实现多级单向散热。反面散热涂料利用球形石墨烯的褶皱形结构，在大量高分子的凝聚结合作用下，在少量纳米尺度耐磨无机粒子的配合下，实现快速吸收热量。另外，此涂料结构在外界高温下可以作为散热使用，在外界低温下可以用于阳光面吸热材料使用，起到保温效果。

具体实施方式

为了使本发明的目的和效果变得更加明白，下面结合具体实施例进一步详述本发明。

实施例1

本发明提供了一种建筑墙体背阴面散热涂料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将浓度为0.01mg/ml的氧化石墨烯溶液在200℃下进行喷雾处理，并经过hi在80℃下还原8h，随后在0℃下，升温速度为3℃/min，控制保温2h；再升温到500℃，升温速度为4.5℃/min，控温保持1h；然后升温到1300℃，升温速度为3℃/min，控温保持2h，制备得到球形石墨烯。

经扫描电镜检测证明最终获得球形石墨烯，经拉曼检测检测，该球形石墨烯的id/ig值为1.1，且其尺度为0.2μm,球形石墨烯壁厚为2个原子层。

(2)取上述1重量份球形石墨烯和0.01重量份分子量为2000的聚酰亚胺、0.1重量份长石纳米粉、0.1重量份分子量为9800、支化度为1.1的超支化碳硅烷以及0.005重量份过氧化二异丙苯混合均匀，得到建筑墙体背阴面的正面混合涂料。

(3)取上述1重量份球形石墨烯、0.5重量份分子量为10000的沥青、0.01重量份分子量为8000、支化度为1.1的超支化碳硅烷以及0.0005份2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷均匀混合，得到建筑墙体背阴面的反面混合涂料。

(4)分别将步骤(2)和(3)的混合涂料经离心喷涂，设置离心的离心力为2100rcf，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为60℃，时间为6h。

(5)随后采用微波加热定型工艺:在250℃下，升温速度为4℃/min，控制保温0.5h；然后升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持1h；然后瞬态升温到1200℃，保持1min，得到散热涂层。

上述方法制备得到的散热涂料的结构以聚硅酸盐层作为底层的白色反射和热量输入层；碳化硅层作为中间层的红外辐射层，是主要的辐射层，粗糙的表面积加上高辐射率(95％)，极大的提高了辐射散热效率；聚合物层作为上层用于链接碳化硅和球形石墨烯；球形石墨烯贯穿三层结构作为外层辐射层，其比表面积巨大，辐射率高达98％，极大提高了红外辐射散热，同时高比表面积缺陷态石墨烯具有极好的热传导效果，可以和外界气体形成极好的热对流界面，增强散热，最终形成高效散热涂层。在另一面，没有反射层以及少量高辐射的碳化硅层的涂层，其具有良好的吸热效果，散热效果相对较弱。因此双层结合下，进一步提升散热效果。

经热成像仪检测，该散热涂料在外界气温40℃左右，墙体内平均温度可以低于30度，而没有涂层的材料，墙体内平局温度高于35度；将外立面反转，该散热涂料在外界气温0℃左右，墙体内平均温度可以达到16度，而没有涂层的材料，墙体内平局温度低于10度。因此，该墙体散热涂料可广泛应用于智能建筑温度调节，可以用于高热界面材料极速散热降温和吸热保温。另外，将此涂敷有涂层的墙体进行电磁屏蔽测试，发现其屏蔽效果为21db；同时，此涂料还有一定的吸收声波的作用，对声波的弱化作用可以减少39分贝左右，满足日常建筑对外面强辐射源以及生源的屏蔽作用。

实施例2

一种建筑墙体背阴面散热涂料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将浓度为1mg/ml氧化石墨烯溶液在180℃下进行喷雾处理，并经过hi在100℃下还原2h，随后在250℃下，升温速度为3℃/min，控制保温0.5h；再升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持1h；然后升温到11200℃，升温速度为4℃/min，控温保持1h，制备得到球形石墨烯。

经sem检测证明最终获得球形高褶皱石墨烯，经拉曼检测，该球形石墨烯的id/ig值为0.8，且其尺度为5μm,球形石墨烯壁厚为4个原子层。

(2)取上述1重量份球形石墨烯和0.1重量份分子量为10000的沥青、5重量份云母纳米粉、2重量份分子量为8000、支化度为2的超支化碳硅烷以及0.01重量份过氧化苯甲酸混合均匀，得到建筑墙体背阴面的正面混合涂料。

(3)取上述1重量份球形石墨烯、0.1重量份10000的沥青、0.2重量份分子量为8000、支化度为2的超支化碳硅烷以及0.001份过氧化苯甲酸均匀混合，得到建筑墙体背阴面的反面混合涂料。

(4)分别将步骤(2)和(3)获得的混合涂料经离心喷涂，设置离心的离心力为10000rcf，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为120℃，时间为3h。

(5)随后采用高温加热定型工艺：在0℃下，升温速度为4℃/min，控制保温2h；然后升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持2h；然后然后瞬态升温到1200℃，控温保持10min，得到散热涂层。

经热成像仪检测，该散热涂料在外界气温40℃左右，墙体内平均温度可以低于29度，而没有涂层的材料，墙体内平局温度高于33度；将外立面反转，该散热涂料在外界气温0℃左右，墙体内平均温度可以达到17度，而没有涂层的材料，墙体内平局温度低于9度。因此，该墙体散热涂料可广泛应用于智能建筑温度调节，可以用于高热界面材料极速散热降温和吸热保温。另外，将此涂敷有涂层的墙体进行电磁屏蔽测试，发现其屏蔽效果为22db；同时，此涂料还有一定的吸收声波的作用，对声波的弱化作用可以减少43分贝左右，满足日常建筑对外面强辐射源以及生源的屏蔽作用。

实施例3

一种建筑墙体背阴面散热涂料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将浓度为0.1mg/ml的氧化石墨烯在220℃下进行喷雾处理，并经过hi在90℃下还原4h，随后在250℃下，升温速度为4℃/min，控制保温0.5h；再升温到500℃，升温速度为4.8℃/min，控温保持2h；然后升温到1800℃，升温速度为4℃/min，控温保持1.2h，制备得到球形石墨烯。

经sem检测证明最终获得多褶皱球形石墨烯，经拉曼检测，该球形石墨烯的id/ig值为0.8，且其尺度为1μm,球形石墨烯壁厚为3个原子层。

(2)取上述1重量份球形石墨烯和0.1重量份分子量为10000的聚丙烯腈、1重量份高岭土纳米粉、1重量份分子量为8000、支化度为1.6的超支化碳硅烷以及0.01重量份2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷混合均匀，得到建筑墙体背阴面的正面混合涂料。

(3)取上述1重量份球形石墨烯、0.2重量份分子量为2000的聚酰亚胺、0.1重量份分子量为6000、支化度为1.6的超支化碳硅烷以及0.0008份过氧化二异丙苯均匀混合，得到建筑墙体背阴面的反面混合涂料。

(4)分别将步骤(2)和(3)获得的混合涂料经离心喷涂，设置离心的离心力为4000，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为120℃，时间为2h。

(5)随后采用高温加热定型工艺：在250℃下，升温速度为2℃/min，控制保温1h；然后升温到500℃，升温速度为4.5℃/min，控温保持2h；然后然后瞬态升温到1200℃，控温保持5min，得到散热涂层。

经热成像仪检测，该散热涂料在外界气温40℃左右，墙体内平均温度可以低于28度，而没有涂层的材料，墙体内平局温度高于35度；将外立面反转，该散热涂料在外界气温0℃左右，墙体内平均温度可以达到17度，而没有涂层的材料，墙体内平局温度低于11度。因此，该墙体散热涂料可广泛应用于智能建筑温度调节，可以用于高热界面材料极速散热降温和吸热保温。此外，将此涂敷有涂层的墙体进行电磁屏蔽测试，发现其屏蔽效果为20db；同时，此涂料还有一定的吸收声波的作用，对声波的弱化作用可以减少40分贝左右，满足日常建筑对外面强辐射源以及生源的屏蔽作用。

实施例4

一种建筑墙体背阴面散热涂料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将浓度为0.4mg/ml的氧化石墨烯在300℃下进行喷雾处理，并经过hi在90℃下还原5h，随后在50℃下，升温速度为4℃/min，控制保温0.5h；再升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持2h；然后升温到1400℃，升温速度为4.5℃/min，控温保持1.5h，制备得到球形石墨烯。

经sem检测证明最终获得多褶皱球形石墨烯，经拉曼检测，该球形石墨烯的id/ig值为0.85，且其尺度为2μm,球形石墨烯壁厚为3-4个原子层。

(2)取上述1重量份球形石墨烯和0.05重量份分子量为5000的聚丙烯腈、1重量份石榴石纳米粉、1重量份分子量为8000、支化度为1.8的超支化碳硅烷以及0.008重量份过氧化甲乙酮混合均匀，得到建筑墙体背阴面的正面混合涂料。

(3)取上述1重量份球形石墨烯、0.4重量份分子量为10000的沥青、0.012重量份分子量为8000、支化度为1.8的超支化碳硅烷以及0.0008份过氧化甲乙酮均匀混合，得到建筑墙体背阴面的反面混合涂料。

(3)分别将步骤(2)和(3)获得的混合涂料经离心喷涂，设置离心的离心力为6000，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为80℃，时间为4h。

(4)随后采用高温加热定型工艺：在250℃下，升温速度为4℃/min，控制保温1h；然后升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持1h；然后瞬态升温到1200℃，控温保持8min，得到散热涂层。

经热成像仪检测，该散热涂料在外界气温40℃左右，墙体内平均温度可以低于29度，而没有涂层的材料，墙体内平局温度高于34度；将外立面反转，该散热涂料在外界气温0℃左右，墙体内平均温度可以达到16度，而没有涂层的材料，墙体内平局温度低于12度。因此，该墙体散热涂料可广泛应用于智能建筑温度调节，可以用于高热界面材料极速散热降温和吸热保温。另外，将此涂敷有涂层的墙体进行电磁屏蔽测试，发现其屏蔽效果为17db；同时，此涂料还有一定的吸收声波的作用，对声波的弱化作用可以减少37分贝左右，满足日常建筑对外面强辐射源以及生源的屏蔽作用。

对比例

(1)取上述0.1重量份分子量为10000的聚丙烯腈、1重量份高岭土纳米粉、1重量份分子量为8000、支化度为1.6的超支化碳硅烷以及0.01重量份2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷混合均匀，得到建筑墙体背阴面的正面混合涂料。

(2)取0.2重量份分子量为10000的聚丙烯腈、0.1重量份分子量为8000、支化度为1.6的超支化碳硅烷以及0.0008份2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷均匀混合得到建筑墙体背阴面的反面混合涂料。

(3)分别将步骤(1)和(2)获得的混合涂料经离心喷涂，设置离心的离心力为4000，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为120℃，时间为2h。

(3)随后采用高温加热定型工艺：在250℃下，升温速度为2℃/min，控制保温1h；然后升温到500℃，升温速度为4.5℃/min，控温保持2h；然后瞬态升温到1200℃，控温保持5min，得到散热涂料。

上述方法制备得到的散热涂料的结构具体为：以聚硅酸盐层作为底层的白色反射和热量输入层；碳化硅层作为中间层的红外辐射层，是主要的辐射层，粗糙的表面积加上高辐射率(95％)，极大的提高了辐射散热效率；聚合物层作为上层用于链接碳化硅和气体界面；最终形成正面单项高效散热涂料。反面散热涂料利用球形石墨烯的褶皱形结构，在大量高分子的凝聚结合作用下，在少量纳米尺度耐磨无机粒子的配合下，实现快速吸收热量。

经热成像仪检测，该散热涂料在外界气温40℃左右，墙体内平均温度可以低于28度，而没有石墨烯球涂层的材料，墙体内平局温度高于31度；将外立面反转，该散热涂料在外界气温0℃左右，墙体内平均温度可以达到17度，而没有石墨烯球的涂层材料，墙体内平局温度低于14度。因此，该墙体散热涂料可广泛应用于智能建筑温度调节，可以用于高热界面材料极速散热降温和吸热保温。没有加入球形石墨烯，减少了球形石墨烯的热传导和热对流以及吸收，没有形成多级散热吸热体系，因此其散热以及保温新能都相对较差。

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