近日，華南理工大學(xué)科研團隊報道了一種具有微三明治結(jié)構(gòu)的聚合物基多孔膜，可用于戶外持久高效的被動輻射冷卻。這種特殊的孔結(jié)構(gòu)對太陽光有更強的散射效率，表現(xiàn)出超高的太陽光反射率和優(yōu)異的綜合性能，有望將輻射冷卻技術(shù)推向工業(yè)化應(yīng)用。
該項成果由聚合物新型成型裝備國家工程研究中心瞿金平院士和張桂珍教授團隊取得，于9月25日在Cell子刊Matter上發(fā)表，題為“A micro-sandwich-structured membrane with high solar reflectivity for durable radiative cooling”。張桂珍、瞿金平為通訊作者，李煜為第一作者。
當前，全球約10%的電量用于室內(nèi)空調(diào)，預(yù)計空調(diào)制冷需求到2050年將增加兩倍。因此，開發(fā)綠色清潔、高效、低能耗的新型制冷技術(shù)具有迫切需求。其中，基于Mie散射理論、利用多孔結(jié)構(gòu)進行輻射制冷，是一種不需要額外能量輸入的被動輻射制冷方法，具有優(yōu)異的制冷效率和柔性、輕質(zhì)等特點，是最有希望滿足未來制冷需求的技術(shù)之一。
要在聚合物基多孔膜上實現(xiàn)高太陽光反射率，就需要開發(fā)具備優(yōu)異機械性能和環(huán)境穩(wěn)定性的材料，這是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。為了實現(xiàn)大于95％的高太陽光反射率，多孔結(jié)構(gòu)的高孔隙率會不可避免地降低聚合物基底膜的機械穩(wěn)定性，尤其是在紫外線長期照射的情況下，會導(dǎo)致聚合物的性能減弱。此外，由于大多數(shù)孔結(jié)構(gòu)的形狀不可控，也阻礙了該類材料在反射性能上的進一步突破。
在本項研究中，學(xué)校團隊在“聚合物（超高分子量聚乙烯，UHMWPE）-致孔劑（液態(tài)石蠟，LP）”體系中戰(zhàn)略性地引入球狀無機顆粒（SiO2微球），開發(fā)出了一種簡單且可連續(xù)化的“相分離-雙向拉伸”技術(shù)，在聚合物膜上創(chuàng)新性地實現(xiàn)了一種微三明治多孔結(jié)構(gòu)（MAMS）。該結(jié)構(gòu)利用UHMWPE分子鏈高度纏結(jié)的特性，所形成的緊密聚合物骨架可以有效包裹SiO2微球和LP微滴。其中，SiO2微球在雙向拉伸過程中起到關(guān)鍵的支撐作用，使得LP微滴在UHMWPE骨架擠壓下形成橢球狀。
MAMS制備過程
在雙向拉伸作用下，UHMWPE的片晶發(fā)生顯著滑移并逐漸被取向的纖維晶取代，形成交錯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，UHMWPE的結(jié)晶度也得到提升。由于SiO2微球的支撐作用，這一過程還伴隨著類橢球狀的微三明治結(jié)構(gòu)的形成。高度取向的纖維晶和高結(jié)晶度顯著提升了聚合物多孔膜的力學(xué)強度，即使在60wt%的無機顆粒和68%的孔隙率下，多孔膜也表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，拉伸強度達到25MPa，撕裂強度達到88.9N/mm。
相比傳統(tǒng)的球狀孔，這種特殊的微三明治多孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更為強烈的光散射效率，并在橫縱尺寸比≈1.9時達到峰值，為有效太陽光反射提供了充足的界面。最終，MAMS表現(xiàn)出高達99.1%的超高太陽光反射率和92.6的高中紅外發(fā)射率，并在實際測試中對密閉空腔實現(xiàn)高達10.7℃的大幅降溫效果。
得益于UHMWPE基體優(yōu)異的穩(wěn)定性和微三明治孔結(jié)構(gòu)對紫外區(qū)太陽光的全反射，MAMS還表現(xiàn)出強大的環(huán)境穩(wěn)定性。即使在61.6W/m2紫外燈下輻照240小時（相當于廣州市7年的輻照量），以及在強酸或高溫環(huán)境下，其光學(xué)性能和機械性能也幾乎沒有改變。作為一種新型綠色制冷技術(shù)材料，在輕質(zhì)膜式建筑、車輛、食品保鮮等領(lǐng)域，有著巨大的實際應(yīng)用潛力。
相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.020
