国防科技大学王璟/白书欣《AMT》：湿热地区亦可使用的高效辐射致冷材料

随着“碳达峰、碳中和”口号的提出，节能减排的观点日益深入人心，绿水青山也成为了社会发展追求的目标。当下社会发展中面临的首要问题就是能源无节制的使用，这也导致了极端气候和温室效应，主动制冷系统的能耗更是占据全球能耗的15 %，因此降低这部分能耗，可以有效缓解能源危机。被动式降温技术可以有效减少主动制冷能耗，有关产品也五花八门，如反光膜、热反射涂料、遮阳布等。但是这类产品只能部分阻止太阳光能量的进入，且无法实现内部热量的有效散出，因此降温效果有限。近几年来，被动式辐射致冷技术因其出色的降温效果成为了研究热点。为了实现低于环境温度的绝对致冷，该技术要求材料在大气热红外窗口（8‒13 μm）具备高辐射率，促使热量尽可能多地穿过大气层抛向外太空；同时在其他波段则要保持高反射率，以阻止太阳热辐照（0.3‒2.5 μm）和周围环境热辐射（中波红外波段，2.5‒8 μm）等能量的额外输入。具有上述严格的光谱选择性特征的材料理论上可以实现58 °C的降温。虽然目前已经报道了较多具有规模化制备潜力的辐射致冷材料，而且它们能够实现太阳光波段的强反射和大气窗口内的高辐射率，但是选择性辐射特征不够明显，对中波红外仍存在较强吸收，因此损害了材料的致冷效能，也限制了这类材料在湿热环境下的应用。

近日，国防科技大学王璟、白书欣、杨俊波、刘东青和军事科学院防化研究院张浩合作，通过喷涂将高速气流引入相分离过程，获得了一种具备高孔隙率和多级宽孔径分布的柔性多孔降温膜（FHPCM），该材料不仅能够高效反射太阳光并保持大气窗口内的高辐射，而且还能有效反射窗口以外的环境热辐射，展示出优异的光谱选择性。孔隙率为73.5 %，折算厚度仅有313 μm的FHPCM在太阳光波段的平均反射率达到了97.2 %，大气窗口内的平均辐射率达到了93.5 %，尤其是大尺寸孔结构的引入赋予了其在中波红外的高反射率（52.9 %）。暴露在~1250 W m‒2的正午阳光下，FHPCM可实现比环境低14.9 °C的绝对致冷，超过现有文献报道。将大尺寸的FHPCM覆盖在汽车前挡玻璃或建筑墙体上，可使其分别降低25 ℃和30.7 ℃，显著优于市售隔热材料。即使处于长沙夏天高温高湿的环境中，借助FHPCM亦可实现对汽车内部空间的绝对致冷，冷却温度高达7.4 ℃，展示出湿热环境下的辐射致冷潜力。除了具备优异的光/热管理性能，FHPCM良好的抗老化性能和疏水性也可满足实际应用。而且利用这种喷涂相分离技术还有助于实现材料的快速干燥和成型，降低施工工艺对材质类型及表面平整度的依赖，薄膜附着的织物衬底赋予材料良好的柔性及可裁剪性，方便加工成帐篷、服装等户外遮阳产品。真正了实现高效辐射致冷器的大面积、低成本、快速制备。该研究成果已获专利授权并以High-Strength Flexible Membrane with Rational Pore Architecture as a Selective Radiator for High-Efficiency Daytime Radiative Cooling发表在新兴期刊 Advanced Materials Technologies上。

柔性多孔降温膜的结构及制备方法设计

作者首先对材料结构和光谱特性进行了科学设计，通过计算证明，高孔隙率多孔膜且孔径分布在0.2–4 μm范围内，能够强烈散射阳光。特别是，增加微孔的尺寸可以使散射峰向长波方向移动，从而提高中波红外（2–8 μm）的反射率。从计算中得到启发，我们建议制备具有高孔隙率和宽孔径分布的分级多孔形貌，这可以减少厚膜制备的必要性并改善材料的光谱选择性。据此，作者对材料的成型方法进行了科学改进，在传统相分离法和刮涂成型法的基础上，通过引入高速气流，成功解决了孔径分布过窄而不能有效反射空气中大量热辐射、无法控制厚膜中孔结构、无法大面积快速成型等问题，为辐射冷却器的实用化提供了一种廉价的制造技术，并系统探究了高速气流对孔形态及辐射冷却性能的影响，完善了相关理论。图1给出了喷涂相分离法的基本流程及产物的典型形貌。可以看出，得到的FHPCM柔性降温膜具有宏观有序、微观随机的分级孔形态，不仅含有大量2~5 μm的大孔和0.3~0.4 μm的小孔，而且在高速气流作用下，形成了一定数量的大孔（~10 μm）。

图1 喷涂相分离法制备FHPCM的流程及产物的典型形貌

柔性多孔降温膜的规模化可控制备

作者通过调节喷涂液中聚合物/溶剂/非溶剂比例、喷涂气流压强、喷涂高度等工艺参数，实现了孔形态的大幅度变化与调控，并解决了高浓度、低气压所带来的系列操作问题。图2的光谱测试结果表明，优化工艺后，孔隙率为73.5 %，折算厚度仅有313 μm的FHPCM在太阳光波段的平均反射率、大气窗口内的平均辐射率以及在中波红外的平均反射率分别达到了97.2 %、93.5 %和52.9 %。作者还对比了FHPCM与自制二氧化钛热反射涂料（TCC、TC）及市售知名品牌隔热涂料（CC）的光谱特性，发现在大气窗口以外的短波波段，FHPCM均展示出明显的反射性能优势。

图2 FHPCM的形貌调控和光谱特征

柔性多孔降温膜在不同环境和场景下的辐射致冷效果

作者分别在乌鲁木齐和长沙开展了户外辐射致冷性能测试。在太阳辐照度高达1250 W m‒2，气温约35 °C，相对湿度约25 %的乌鲁木齐，FHPCM材料背面获得了比环境低14.9 °C的致冷效果，显著优于市售隔热涂料CC（几乎无致冷效果）（图3），也优于文献报道。大气中的水汽及厚厚的云层会严重阻碍红外热通过大气窗口向外太空辐射，但值得一提的是，在温度超过32 °C，湿度接近60 %的长沙夏天，我们仍可观察到接近6.1 °C的亚环境温度致冷，这得益于高的中波红外反射率。

图1 FHPCM的室外辐射致冷性能

与此同时，各种户外应用实验亦证明FHPCM在汽车、房屋表面使用的可行性。覆盖FHPCM可使汽车前挡玻璃、车内空气和墙体分别降低25.5 ℃、12 ℃和30.7 ℃（图4），显著优于市售遮阳材料，即使处于长沙夏天高温高湿的环境中，亦可实现对汽车内部空间的绝对致冷，冷却温度高达7.4 ℃，展示出该材料在湿热环境下的辐射致冷潜力。

图4 FHPCM在户外的应用场景及辐射致冷效果展示

柔性多孔降温膜的实用性能

作者还通过将多孔膜沉积在柔性织物表面，使其拉伸强度达到64.6 MPa，界面结合强度接近800 N m‒1，远超当前报道的辐射致冷材料的力学性能。此外，FHPCM表现出优异的疏水效果，接触角为135.6 °，有利于FHPCM的自清洁。优异的疏水性得益于膜表面分布的胞腔状孔及无序堆叠的纤维结构。因为氟碳树脂自身具有良好的抗老化、耐腐蚀性能，使得FHPCM在经历70 ℃、200 h的各种加速老化试验后，表面性状及光谱性能均未发生明显变化，展示出优异的耐候性及可靠性（图5）。

图2 FHPCM的力学性能、疏水性能及老化性能

结语：兼具辐射致冷性能与实用性能的FHPCM可以单独使用，亦可与主动制冷设备配合使用，可以做成篷布，亦可将喷涂液作为涂料使用，相关产品有望用于房屋、汽车、帐篷、管道、箱子、户外遮阳等场景，以节约能耗、提高设备便携性及人员舒适性。“空调温度提高一度，节能一大步”，如果将空调温度调高一度，就可以节约用电6‒8 %。对一个普通家庭而言，如一台1.5匹分体空调机每小时耗电1.1度，每天运行5个小时，调高1 ℃可每天至少节省0.33度电。保守估计夏天使用FHPCM可以辅助降温10 ℃，按照每省1度电少排放997 g的CO 2计算，一个家庭一天至少可以少排放大约3.29 kg的CO2，相当于节约1.26 kg标准煤！我们坚信FHPCM可以有效缓解能源危机，助力实现双碳目标。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202100528

来源：高分子科学前沿，本文经过官方审批，授权发布。

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