科學(xué)網(wǎng)9月26日訊 2024年9月25日，華南理工大學(xué)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在Matter期刊上發(fā)表了一篇題為“A micro-sandwich-structured membrane with high solar reflectivity for durable radiative cooling”的研究論文。
該成果報道了一種具有微三明治結(jié)構(gòu)的聚合物基多孔膜用于戶外持久高效的被動輻射冷卻（Passive radiative cooling，PRC），這種特殊的孔結(jié)構(gòu)對太陽光有更強的散射效率，該膜表現(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。論文通訊作者是張桂珍，瞿金平；第一作者是李煜。
當(dāng)前，全球每年約10%的電量用于室內(nèi)空調(diào)。預(yù)計到2050年，空調(diào)制冷需求將增加兩倍。因此，開發(fā)綠色清潔、高效且低能耗的新型制冷技術(shù)具有迫切需求?；贛ie散射理論利用多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)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，已經(jīng)成為最有希望滿足未來制冷需求的技術(shù)。然而，為了實現(xiàn)所需的高太陽光反射率（＞95%），高孔隙率不可避免會降低聚合物基底膜的機械穩(wěn)定性（拉伸強度＜10 MPa），尤其是在紫外線長期照射的情況下，聚合物的性能會減弱。此外，大多數(shù)孔結(jié)構(gòu)的形狀不可控，阻止了在反射性能上的進(jìn)一步突破。因此，在聚合物基多孔膜上同時實現(xiàn)高太陽光反射率，優(yōu)異的機械性能和環(huán)境穩(wěn)定型仍具有挑戰(zhàn)性。
在這項工作中，研究團隊在“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）。利用UHMWPE分子鏈高度纏結(jié)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骨架下擠壓下形成橢球狀。
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25 MPa和撕裂強度88.9 N/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達(dá)到峰值，為有效太陽光反射提供了充足的界面。這表明太陽光可以通過更復(fù)雜的路徑擴散，顯著提升了反射太陽光所占的比例。最終，MAMS表現(xiàn)出高達(dá)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(dá)10.7℃的大幅降溫效果。
此外，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（≈100%），即使是在61.6 W/m2紫外燈下輻照240 h（分別相當(dāng)于廣州市7年和弗洛里達(dá)州8年的輻照量）、強酸或高溫環(huán)境下，MAMS的光學(xué)性能和機械性能幾乎沒有改變，展現(xiàn)了其作為新型綠色制冷技術(shù)被實際應(yīng)用在輕質(zhì)膜式建筑，車輛和食品保鮮等領(lǐng)域的巨大潛力。
