现代工学院唐少春教授团队在辐射冷却型降温节能薄膜材料研究领域取得进展

近日,现代工程与应用科学学院唐少春教授团队从三维结构设计入手,提出倒相法结合自沉积制备技术,成功获得了一种由微米孔聚合物单面定向富集SiO2微球构筑的新材料,其独特新结构赋予该材料优异的辐射降温性能;尤其是,该材料能够在金属、木材、塑料、纤维布料等不同基体表面沉积成膜实现高效降温节能,为高性能辐射冷却型被动降温材料的发展提供了新的思路;该材料在应用时不仅能够自支撑成膜,而且类似于涂料在基体表面粉刷,具有良好的工业化应用前景。相关研究成果以“3D Porous Polymer Film with Designed Pore Architecture and Auto-Deposited SiO2 for Highly Efficient Passive Radiative Cooling”为题发表在国际能源类期刊《纳米能源》上(Nano Energy, 2020, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105600)。  

1团队提出的独特三维复合结构及其辐射冷却降温机理示意图。 

传统的主动降温系统(如空调)在冷却降温时,往往伴随着大量的能量损耗以及对生态环境造成破坏的温室气体排放,寻求低能耗、环境友好的降温方式成为人们致力追求的目标。辐射冷却降温能够在不消耗任何不可再生能源的情况下,将热量以电磁波的形式辐射到外太空去,被认为是最有前景的被动降温方式。国际报道中,提升材料太阳光反射率常用的方法主要是通过加入红外反射颜料(如TiO2等)或者在材料表面镀一层高反射金属涂层(如Ag等)。然而,无机红外反射颜料对紫外光和红外光的屏蔽能力无法达到日间辐射降温的要求,高反射金属涂层虽屏蔽能力强,但存在易腐蚀、镀膜工艺复杂和成本昂贵等缺点。

针对上述问题,研究团队从三维结构设计入手,提出将三维孔结构和定向富集无机球形颗粒的优势集于一身。如1所示,该新型薄膜材料是由微米孔聚合物和单面定向富集二氧化硅(SiO2微球构筑而成,其中,聚合物微米级三维孔结构可高效反射全波段的太阳光,单面富集球形SiO2可实现中红外热辐射功能的最大化利用。在白天强烈太阳光照下,单面富集SiO2微球的薄膜不仅具备红外线高发射率,而且具备极高的太阳光反射率,从而实现了辐射降温;夜间,通过借助具有Fröhlich作用共振增强效应的SiO2微球来达到辐射降温的效果。  

2. 辐射冷却型复合纤维膜的SEM显微图:(B)纤维膜实物图;(A)纤维膜顶部;(C)纤维膜底面;(D)纤维膜截面;(E)、靠近顶部的截面;(F)靠近底面的截面。

基于上述设计理念,团队采用倒相法结合自沉积制备新技术,成功制备出以醋酸纤维素(CA)为骨架的辐射冷却型复合纤维膜(产物如图2B所示)。SEM显微分析表明,倒相法的相分离过程产生了大量的微米级孔洞(孔径大约5μm,孔隙率约55%),均匀分布于整个薄膜中;同时,在重力自沉降作用下,SiO2微球几乎全部沉降在薄膜底部(对比图2A2CCross-section截面显微图(图2D-F)进一步证实了薄膜内部均匀分布的三维多孔和微球在单面富集的结构。

3. CA/SiO2微球复合纤维膜的光学性能和理论降温功率:(A)反射光谱图;(B-CSiO2富集面的理论降温功率;(D-E)纤维膜另一面的理论降温功率(白天和夜间)。

由于独特的三维结构,该复合纤维膜呈现出优异的光学性能,如图3A所示。微米尺度的三维孔结构使纤维膜两侧的太阳光反射率均高达96~97%,且SiO2微球的单面定向富集,有效提升了复合纤维膜的红外发射率(高达95%),远高于未富积SiO2微球的一面(83%)。特别是太阳光反射率高于当前国际最新报道值,达到国际领先水平。基于反射光谱数据,研究团队进一步开展了理论降温功率计算,在不考虑非辐射传热(即不含热传导和热对流)影响的前提下,夜间的理论降温值高达~28 ºC,白天太阳光照下的理论降温值高达~18 ºC(图3B-F)。即使将高达6.9 W·m-2·K-1的非辐射传热系数考虑在内,夜间和白天的理论降温功率也分别高达~11 ºC~7 ºC通过户外试验,再次验证了复合纤维膜优异的辐射降温性能。从图4可以看出,纤维膜在夜间可获得~8 ºC的降温效果,即使在白天光功率值高达900 W·m-2的强烈太阳光照下,也能达到6.2 ºC的降温效果。

  

 

4. 复合纤维膜的户外试验结果:(A)纤维膜不同面朝向太阳时的薄膜温度及环境温度随时间变化曲线;(B)不同面朝向太阳时的薄膜温度与环境温度的差值曲线。 

尤其是,该研究报道的制备技术具有成本低、工艺简单、适合大规模生产等优点,这种材料在应用中不仅能够自支撑,还能够像涂料一样,在各种不同的基体材料(如金属、木材、塑料、纤维布料等)表面沉积(5所示),从而达到高效降温节能的目的,因此在建筑节能、可穿戴降温等领域具有广阔应用前景。该工作为高性能辐射冷却型被动降温材料的设计和制备提供了一种有效途径。

  

5. CA/SiO2微球复合纤维膜像涂料一样,能够在不同基体表面沉积 (A) 铜片;(B) 木板;(C) 塑料片;(D)聚酯纤维板。

课题组博士后相波(南京林业大学讲师)为该论文第一作者,唐少春教授、孟祥康教授为论文的通讯作者,课题组副研究员张荣、博士后张晟为该工作在理论计算和实验表征方面提供了帮助。该研究受到国家自然科学基金、国家自然科学基金物理专项、江苏省重点研发计划项目、中国博士后基金、中央高校基本科研专项资金、江苏省博士后基金等项目的资助。