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美國(guó)東北大學(xué)鄭義教授課題組 ACS AMI:通過(guò)烷烴-油酸相互作用結(jié)構(gòu)連接的納米纖維生物材料被動(dòng)冷卻涂料
2024-04-02  來(lái)源:高分子科技


  被動(dòng)輻射冷卻材料,無(wú)需耗電即可提供冷卻效果,被視為一種關(guān)鍵技術(shù),既能減少溫室氣體排放,又能為不太發(fā)達(dá)的社區(qū)帶來(lái)舒適的冷卻環(huán)境。為了發(fā)揮其最大效用,不僅需要優(yōu)化這些材料的熱學(xué)和光學(xué)特性,還要確保它們易于應(yīng)用且具有良好的可擴(kuò)展性。美國(guó)東北大學(xué)鄭義教授課題組,通過(guò)將生物材料羥基磷灰石以納米纖維形態(tài)整合入基于油的介質(zhì)中,開(kāi)發(fā)出了一種類似油漆的被動(dòng)冷卻涂層,便于涂抹使用。通過(guò)對(duì)這種混合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和鍵合機(jī)制進(jìn)行了深入的分析,采用傅里葉變換紅外光譜技術(shù),我們?yōu)殚_(kāi)發(fā)類似的被動(dòng)冷卻溶液提供了重要的參考。這種新型復(fù)合材料通過(guò)反射高達(dá)95%的太陽(yáng)能和在大氣透明窗口排放92%的熱量,能夠在戶外環(huán)境下平均降溫3.7°C,室內(nèi)則可實(shí)現(xiàn)每平方米約800W的冷卻能力。此外,材料的性能不僅提升了物理耐久性,還支持循環(huán)利用,推動(dòng)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實(shí)踐。最后,通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整表面結(jié)構(gòu),可以有效地改變鍵合特性和親水性,使這種材料成為室外應(yīng)用的理想選擇。


  在構(gòu)成實(shí)現(xiàn)輻射冷卻的油漆方面,一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)與粘合劑的選擇相關(guān)。雖然市場(chǎng)上有多種具有高太陽(yáng)反射率和紅外輻射率的顏料,但大部分粘合劑都會(huì)引入難以避免的光學(xué)吸收,特別是在近紅外區(qū)域。為了解決這個(gè)問(wèn)題,本研究旨在開(kāi)發(fā)一種整合高效能PRC顏料的油漆,同時(shí)最小化粘合劑的光學(xué)影響。這一任務(wù)因許多PRC顏料的較低折射率及粘合劑中顏料體積比限制而變得更加復(fù)雜。因此,他們研究了在多種油漆基質(zhì)中應(yīng)用納米纖維HAP作為顏料的方法,以確立一種有效的被動(dòng)冷卻方案。


  在詳細(xì)研究HAP與油漆介質(zhì)的粘合機(jī)制后,他們發(fā)現(xiàn)HAP表面吸附的化合物為其提供了獨(dú)一無(wú)二的粘合特性,這些特性是其他顏料所不具備的。本研究提出了基于HAP的油漆的粘合機(jī)制,并展示了如何通過(guò)回收性和表面性能的改良來(lái)優(yōu)化HAP。研究成果包括一種機(jī)械穩(wěn)定的基于HAP的油漆,能在大氣透明區(qū)有效地反射95%的太陽(yáng)能并釋放92%的紅外輻射(如圖1a所示)。在室內(nèi)外環(huán)境中對(duì)這種復(fù)合涂層的冷卻能力進(jìn)行了展示,明確證實(shí)了這種基于HAP的油漆在可持續(xù)性方面的益處。 


圖1. 用于被動(dòng)冷卻的HAP納米纖維涂料。(A)在外部環(huán)境中應(yīng)用的HAP/Gamsol涂料的示意圖。(B)HAP/Gamsol涂料的制作過(guò)程


  本研究提出了一項(xiàng)創(chuàng)新策略,成功將納米纖維羥基磷灰石——一種具備被動(dòng)輻射冷卻特性的生物材料顏料——轉(zhuǎn)化為一種易于應(yīng)用的油漆。借助羥基磷灰石上可調(diào)節(jié)的表面結(jié)構(gòu)以及烷烴化合物Gamsol的穩(wěn)固粘合,他們創(chuàng)造出了一種與眾不同的粘合方式,該方式能顯著減少其他顏料在油漆干燥后所遭受的光學(xué)損失這一粘合策略的采用,不僅提高了油漆的被動(dòng)輻射冷卻性能,還使其成為一種高效且可廣泛應(yīng)用的材料。應(yīng)用此技術(shù)所制得的油漆,能在大氣的透明窗口區(qū)域內(nèi)反射95%的太陽(yáng)能并釋放92%的紅外輻射。他們通過(guò)在室內(nèi)外不同環(huán)境下進(jìn)行太陽(yáng)輻射測(cè)試,證實(shí)了羥基磷灰石/Gamsol油漆的冷卻效果,平均能實(shí)現(xiàn)3.7°C的降溫。此外,這種顏料還可回收利用,不僅用作被動(dòng)冷卻顏料,還因其高溫穩(wěn)定性而適用于其他領(lǐng)域。通過(guò)回收和表面處理,還提高了其疏水性。總的來(lái)說(shuō),這種基于納米纖維生物材料的油漆在減少空調(diào)相關(guān)的排放及熱量問(wèn)題上,提供了一個(gè)完善的解決方案。

 

圖2. 掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖中展示了(A-C)合成后的HAP纖維,(D-F)用研缽和研杵研磨后的HAP纖維,以及(G-I)與Gamsol混合并干燥后的樣本。


圖3. 材料表征。(A)傅里葉變換紅外透射率,(B)能量色散譜(EDS),以及(C)不同HAP和HAP涂料樣品的熱導(dǎo)率。

圖4. HAP涂料的光譜性能。展示了HAP/Gamsol涂料的反射率,相對(duì)于300K黑體、歸一化的AM1.5太陽(yáng)輻照度以及歸一化的大氣透明窗口。

圖5. 所有油漆樣本的光譜性能。(A)各種油漆和對(duì)比樣本的圖像。(B)HAP纖維和油漆的光譜以及(C)歸一化反射率和輻射率,以及(D)HAP纖維和Gamsol油漆的光譜和(E)歸一化反射率和輻射率,與行業(yè)對(duì)比樣本進(jìn)行比較。

圖6. 冷卻性能。(A)室內(nèi)溫度測(cè)試45分鐘時(shí)的紅外攝像頭圖像。(B)1小時(shí)室內(nèi)測(cè)試期間,相對(duì)于裸露桉木,HAP/Gamsol涂料在桉木上的熱響應(yīng)。(C)室外冷卻測(cè)試的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和對(duì)比樣本。室外測(cè)試使用了(D)溫度結(jié)果和(E)天氣條件。

圖7. HAP基油漆的可回收性。(A)回收過(guò)程中不同階段HAP樣品的光譜反射率和(B)傅里葉變換紅外透射率。原始和經(jīng)過(guò)(D)回收以及油酸處理的(C)HAP/Gamsol油漆的靜態(tài)接觸角。

  全球范圍內(nèi),隨著對(duì)抗氣候變化的行動(dòng)加速,羥基磷灰石基材料展現(xiàn)出多種可持續(xù)的優(yōu)勢(shì),包括被動(dòng)冷卻、環(huán)境友好性和可回收性,這些都將有助于實(shí)現(xiàn)碳排放減少、推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實(shí)踐,以及更平等地享有冷卻技術(shù),共同推進(jìn)我們邁向一個(gè)更綠色的未來(lái)。


  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acsami.4c01383

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