地氣系列G 33:如何開發(fā)石墨烯隔熱涂層？
發(fā)布日期:2020-06-17 16:38:292018-08-04
隔熱涂層是一種功能性涂層。根據(jù)隔熱機理的不同，隔熱涂料可分為三種類型:隔熱涂料、熱反射涂料和熱輻射涂料。這三種隔熱涂料的優(yōu)缺點比較如下:
阻隔隔熱涂層阻隔隔熱涂層是一種通過涂層本身的高熱阻阻止熱能傳導(dǎo)的涂層。它屬于厚膜涂料。涂層形成后，涂膜充滿孔隙，干涂膜密度很低，導(dǎo)熱系數(shù)一般小于0.06W/mK，因此具有良好的隔熱性能，阻隔型隔熱涂層的隔熱效果與涂膜厚度密切相關(guān)。涂層涂覆到一定厚度，一般為20毫米，充分干燥固化后，材料干燥成膜后的導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此涂層具有一定的減緩熱流傳遞的能力，要求保持90%以上的熱量不流失。目前，應(yīng)用最廣泛的阻隔型隔熱涂料是硅酸復(fù)合涂料。它的主要成分是無機的，所以無毒無味。長期以來用于外墻、管道、閥門等各種工業(yè)異形體的保溫。雖然這種涂料正朝著普通建筑保溫的方向發(fā)展，但其吸濕性大、附著力差、裝飾性差的問題仍有待解決。
反射隔熱涂層反射隔熱涂層通過涂層薄膜的反射將可見光和近紅外光從太陽反射到外部空間，使得太陽照射到涂層薄膜上的大部分能量被反射而不是被涂層薄膜吸收。添加到涂層中的超細(xì)微孔材料、納米遠(yuǎn)紅外材料、中空玻璃或陶瓷微珠對隔熱涂層的質(zhì)量起著關(guān)鍵作用，微珠越靠近紅外波長，反射率越高，因此，尺寸極小的高質(zhì)量中空微珠是制備高質(zhì)量隔熱涂層的核心。此外，涂膜的隔熱性能僅與涂膜表面的反射率有關(guān)，與涂膜的厚度無關(guān)。一般來說，熱反射率應(yīng)達(dá)到90%以上，隔熱和冷卻應(yīng)在15℃以上才能合格。
輻射型隔熱涂料輻射型隔熱涂料不同于上述兩種涂料。這種涂料的作用機理是通過輻射將陽光和建筑物吸收的熱量以一定的波長發(fā)射到空氣中，從而阻斷熱能的傳遞，降低建筑物的熱增益，達(dá)到良好的隔熱節(jié)能效果。輻射散熱涂料是一種散熱隔熱的涂料。輻射冷卻隔熱涂層能夠以8-13.5μm波長的形式散發(fā)涂覆在物體上的熱量，從而降低物體和內(nèi)表面的溫度。輻射冷卻是明顯的。然而，輻射隔熱涂層不同于泡沫塑料和玻璃棉等多孔阻隔隔熱材料。白天，太陽能通過屋頂和墻壁中的屏障保溫材料不斷地被引入房間和結(jié)構(gòu)中，即使室外溫度在夜間降低，房間和結(jié)構(gòu)中的熱量也不會立即消散。然而，輻射隔熱涂層能夠以熱輻射的形式輻射吸收的熱量，從而以相似的速率冷卻室內(nèi)和室外。輻射隔熱涂料通常是通過添加氧化鋁、二氧化鈦、云母和金屬氧化物的細(xì)粉、丙烯酸乳液、蒸餾水和添加劑來制備的。
該復(fù)合隔熱涂層復(fù)合涂層不僅通過干膜層中由納米空心陶瓷微珠組成的真空腔體群形成有效的高反射率隔熱屏障，而且結(jié)合了輻射隔熱涂層的高輻射率，因此我們對復(fù)合隔熱涂層設(shè)定了三個性能要求:
1)。隔熱等級為R-21.1
2)熱反射率< 0.79
3)發(fā)射率< 0.83
我們想設(shè)計一種既能提高反射率又能提高輻射率的石墨烯隔熱涂層。如何將石墨烯的高輻射功能添加到市場上現(xiàn)有的陶瓷微珠保溫涂層中，成為這項新技術(shù)的挑戰(zhàn)。在提高輻射率方面，薛剛等人在《含石墨烯或氧化石墨烯的復(fù)合增強散熱涂層及其制備方法》中，通過回流法在紅外發(fā)射粉末表面“包裹”石墨烯，成功制備了含石墨烯、電氣石和過渡金屬氧化物的復(fù)合散熱涂層。研究表明石墨烯可以降低紅外粒子的熱阻。與普通散熱涂層相比，含石墨烯復(fù)合涂層的紅外發(fā)射率可達(dá)96%，節(jié)能約6.37%，節(jié)能效果好。
就我個人而言，我認(rèn)為“涂覆”技術(shù)不是隔熱的最佳方案，因為石墨烯涂覆高反射率填料會減緩其效果。薛剛散熱涂料中使用的涂層技術(shù)確實可以提高發(fā)射率，但恰恰相反，它可以提高外部熱輻射的隔熱功能，從而削弱反射率！最好的方法是“加載”技術(shù)，在這種技術(shù)中，石墨烯微芯片被加載上陶瓷微珠，并且石墨烯的高發(fā)射率被集成以“從內(nèi)到外”散熱。另外，原有的高反射率陶瓷微珠抑制了“由外向內(nèi)”的熱輻射。然而，問題出現(xiàn)了。即使我們過去用負(fù)載技術(shù)將二氧化鋯負(fù)載到石墨烯微芯片上，對分散和界面的影響也是非常好的，但是如何控制整個結(jié)構(gòu)使得上部是反射層而下部是輻射散熱層是另一個需要解決的問題。同樣的實驗設(shè)計也可以應(yīng)用于耐高溫涂層，即頂部的耐高溫層和底部的輻射散熱層。如果硅氧烷和其他耐高溫填料被裝載在石墨烯微芯片上，可能會發(fā)出更多的火花。
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