第一作者：J. Mandal
通訊作者：N. Yu、Y. Yang
通訊單位：美國(guó)哥倫比亞大學(xué)
研究亮點(diǎn)：
1.發(fā)展了一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉、可規(guī)模化的多級(jí)次微納米多孔聚合物涂層制備方法。
2.實(shí)現(xiàn)了高效率的被動(dòng)輻射冷卻性能。
每到炎炎夏日，我們都會(huì)想到兩個(gè)人。一個(gè)是后羿，射掉了9個(gè)太陽(yáng)；另一個(gè)是Willis Haviland Carrier，現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)明者。然而，長(zhǎng)期呆在空調(diào)環(huán)境中可能會(huì)導(dǎo)致人體體溫調(diào)節(jié)能力減弱，各種生理功能紊亂等問(wèn)題。而且，目前的空調(diào)系統(tǒng)帶來(lái)大量能耗和環(huán)境問(wèn)題。因此，有必要開發(fā)新型的空調(diào)制冷技術(shù)。
輻射冷卻是指物體通過(guò)反射太陽(yáng)光和輻射散去熱能的過(guò)程，不需要損耗電能就能實(shí)現(xiàn)環(huán)境的被動(dòng)降溫。問(wèn)題在于，現(xiàn)有的輻射冷卻技術(shù)要么效果不好，要么不實(shí)用。而輻射冷卻技術(shù)的關(guān)鍵之一，在于表面涂層的性能。
有鑒于此，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)N. Yu和Y. Yang團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉、可規(guī)模化的多級(jí)次多孔聚合物涂層制備方法，實(shí)現(xiàn)了高效率的被動(dòng)輻射冷卻。
圖1. P(VdF-HFP)HP薄膜的制備和光學(xué)性能
材料的選擇：
P(VdF-HFP)具有優(yōu)異的電磁性能，其作為被動(dòng)輻射冷卻涂層具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，從而確保了P(VdF-HFP)可以在LWIR窗口有效輻射熱量。
1）在太陽(yáng)光譜區(qū)域（λ = 0.3-2.5 μm）具有可以忽略的消光系數(shù)，使太陽(yáng)光加熱降低到最小。
2）分子結(jié)構(gòu)中不同的振動(dòng)模式，導(dǎo)致在熱波長(zhǎng)處具有多個(gè)消光峰。
3）具有優(yōu)異的抗老化、防污、防紫外線能力。多孔結(jié)構(gòu)使得薄膜更具疏水性能。
簡(jiǎn)便的涂層制備方法：
研究人員以P(VdF-HFP)、水和丙酮混合物作為前驅(qū)體溶液（水不是溶劑，丙酮是溶劑），采用相轉(zhuǎn)化法制備得到多級(jí)次多孔聚合物膜，放置在于基底上然后在空氣中干燥。丙酮的快速蒸發(fā)導(dǎo)致P(VdF-HFP)從水中發(fā)生相分離，從而形成微納米尺度的液滴。水蒸干之后，富含微納米孔道結(jié)構(gòu)的P(VdF-HFP)HP薄膜也就形成了。
值得一提的是，這種涂層可以通過(guò)類似刷墻的方式進(jìn)行施工，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用極具吸引力。可以采用刷涂、浸涂、噴涂等各種工藝，也適用于金屬、木材、塑料凳多種基材。除此以外，P(VdF-HFP)HP還可以做成穩(wěn)固的科循環(huán)的片層材料。
圖2. P(VdF-HFP)HP光學(xué)性能
圖3. P(VdF-HFP)HP涂層的通用性
優(yōu)異的輻射冷卻性能：
由于微納米孔道結(jié)構(gòu)的存在，薄膜具有極佳的反向散射太陽(yáng)光和增強(qiáng)熱輻射的能力。研究發(fā)現(xiàn)，厚度大于300μm，孔隙度超過(guò)50%的P(VdF-HFP)HP薄膜半球?yàn)?.96， 為0.97。當(dāng)厚度大于500μm時(shí)，可以達(dá)到0.98以上。超高的值確保了對(duì)太陽(yáng)光的有效反射，并避免了之前設(shè)計(jì)中廣泛使用的銀反光器。
在太陽(yáng)光強(qiáng)度為890和750 W m-2條件下，涂層可將室溫自然降低6℃左右，冷卻功率為96 W m-2。這一性能足以媲美目前最好的被動(dòng)輻射冷卻技術(shù)。
圖4. P(VdF-HFP)HP輻射冷卻性能
總之，這項(xiàng)研究利用相轉(zhuǎn)化法開發(fā)了一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉、可規(guī)模化的多級(jí)次多孔聚合物涂層制備方法，實(shí)現(xiàn)了高效率的被動(dòng)輻射冷卻性能，為更宜居的生活環(huán)境，更節(jié)能環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起到了重要推動(dòng)作用！
參考文獻(xiàn)：
J.Mandal, Y. Fu, N. Yu, Y. Yang et al. Hierarchically porous polymer coatings forhighly efficient passive daytime radiative cooling. Science 2018.
http://science.sciencemag.org/content/early/2018/09/26/science.aat9513?rss=1
