夏日克星？这种新型聚合物涂层即使在沙漠里也能让建筑保持6˚C低温

 

(图源：ScienceDaily)

随着气温上升，热浪扰乱了世界各地的生活，冷却方案变得越来越重要。

这是一个至关重要的问题，尤其是在发展中国家，那里的夏季高温可能会变得很极端，预计还会加剧。

但普通的冷却方法，如空调，价格昂贵，消耗大量能源，需要随时使用电力，而且通常需要消耗臭氧或其它产生强烈温室效应的冷却剂。

替代这些能源密集型冷却方法的一种方法是被动日间辐射冷却(PDRC)，这种现象是让材料表面通过反射阳光并将热量辐射到较冷的大气而自发冷却。

PDRC是最有效的,如果一个表面有高太阳能反射率(R)，能够使日照的热量最小，并且具有较高的热发射率(Ɛ)，能够最大限度地增加对天空的辐射热损失。

如果R和Ɛ足够高，即使在阳光下，净热损失也可能发生。

开发实用的PDRC设计一直是一个挑战:许多最近提出的设计方案都是复杂或昂贵的，不能广泛应用于屋顶和建筑，因为这些建筑有不同的形状和纹理。

到目前为止，白色涂料价格便宜，使用方便，一直是PDRC的基准。

然而，白色颜料通常含有能吸收紫外线的颜料，不能很好地反射较长的太阳波长，因此它们的性能充其量也只能算是中等。

哥伦比亚工程公司(Columbia Engineering)的研究人员发明了一种高性能的表面PDRC聚合物涂层，这种涂层具有纳米到微尺度的空气空隙，可以作为自发的空气冷却器，可以像油漆一样进行制造、染色和应用于屋顶、建筑物、水箱、车辆、甚至宇宙飞船上——任何可以涂装的东西。

他们使用了一种基于溶液的相转化技术，使聚合物具有多孔泡沫状结构。

多孔聚合物中的空隙由于与周围聚合物折射率的不同而散射和反射阳光。

这种聚合物会变白，从而避免了太阳能加热，而其固有的发射率会使其有效地向天空散热。

这项研究发表在近日的《科学》杂志网络版上。

团队包括材料科学与工程助理教授Yuan Yang、应用物理副教授Nanfang Yu和这项研究的第一作者、团队(应用物理和应用数学系)的博士生Jyotirmoy Mandal。

基于之前的研究，他们证明了简单的塑料和聚合物，包括丙烯酸、硅酮和PET，是很好的散热器，可以用于PDRC。

挑战在于如何使这些通常透明的聚合物在不使用银镜作为反射器的情况下反射阳光，以及如何使它们易于展开。

他们决定使用相转化法，因为这是一种简单的、基于解决方案的方法，用于制造聚合物中的光散射孔隙。

聚合物和溶剂已经在涂料中使用，而哥伦比亚工程公司的方法实质上是用能反射从紫外光到红外线的所有波长的空隙来取代白色涂料中的颜料。

Mandal说:“这种简单但基本的修改产生了出色的反射率和发射率，与最先进的PDRC设计不相上下，甚至超过了后者，但其便利性几乎就像油漆一样。”

研究人员发现聚合物涂层的高太阳能反射(R > 96%)和热发射率(Ɛ~ 97%)使它在广泛不同的天空下比环境明显凉爽。在亚利桑那州炎热、干旱的沙漠中它仅有6˚C，在雾蒙蒙的孟加拉的热带环境中仅有3˚C。

“事实上，在沙漠和热带气候中都可以实现降温，没有任何热保护或屏蔽，这证明了我们的设计在任何需要降温的地方都是有用的。”Yang说。

该团队还通过添加染料创造了具有冷却能力的彩色聚合物涂层。

“在颜色和冷却性能之间取得卓越的平衡是我们工作中最重要的方面之一。”Yu说。

“对于外部涂料来说，颜色的选择往往是主观的，涂料制造商几十年来一直在努力制造彩色涂料，比如那些屋顶涂料。”

该小组考虑了环境和操作问题，如可回收性、生物相容性和高温可操作性，并表明他们的技术可以推广到一系列聚合物以实现这些功能。

Mandal补充说:“聚合物是一种非常多样化的材料，由于这种技术是通用的，如果有合适的聚合物，额外的理想性能可以方便地集成到我们的PDRC涂料中。”

“大自然提供了许多加热和冷却的方式，其中一些是众所周知和广泛研究的，另一些是鲜为人知的。辐射冷却——通过使用天空作为散热器，就属于后者。材料科学家们一直奇怪地忽略了它的潜力，直到几年前。” 乌普萨拉大学的物理学教授Claes-Goran Granqvist说，他是辐射冷却领域的先驱，但他没有参与这项研究。

“Mandal等人发表的这篇文章强调了辐射冷却的重要性，并展示了一项重要的突破。即使在阳光充足的情况下，也能够廉价方便地制备出具有层次性的多孔聚合物涂层，从而提供优异的冷却效果。”

Yang, Yu和Mandal正在从适用性方面改进他们的设计，同时探索使用完全生物相容的聚合物和溶剂的可能性。

他们正在与工业界就下一步计划进行谈判。

“现在是为可持续发展的人类开发有前景的解决方案的关键时刻。” Yang指出。

“今年，我们目睹了北美、欧洲、亚洲和澳大利亚的热浪和破纪录的气温。我们必须找到应对这一气候挑战的方法，我们很高兴能在这项新技术上取得进展。”

Yu补充道，他曾经认为白色是最难以企及的颜色:“几年前我学习水彩画时，白色颜料是最昂贵的。铅白色常是伦勃朗和卢西安·弗洛伊德等大师的选择。”

“我们现在已经证明白色实际上是最容易实现的颜色。它只需要在透明介质中嵌入适当大小的气孔就可以制造出来。空气空隙是雪和撒哈拉银蚁呈现出白色的原因。”

 

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