南京林大成功制备出以醋酸纤维素为骨架的辐射冷却型复合纤维膜

近日，南京林业大学青年教师相波在国际著名能源类期刊《Nano Energy》（纳米能源，IF=16.602）上发表题为“3D Porous Polymer Film with Designed Pore Architecture and Auto-Deposited SiO2 for Highly Efficient Passive Radiative Cooling”的论文。相波为论文第一作者，南京大学唐少春教授、孟祥康教授为论文共同通讯作者，南京林业大学为第一作者单位。

传统的主动降温系统（如空调）在冷却降温时，往往伴随着大量的能量损耗以及对生态环境造成破坏的温室气体排放，寻求低能耗、环境友好的降温方式成为人们致力追求的目标。辐射冷却降温能够在不消耗任何不可再生能源的情况下，将热量以电磁波的形式辐射到外太空去，被认为是最有前景的被动降温方式。国际报道中，提升材料太阳光反射率常用的方法主要是通过加入红外反射颜料（如TiO2等）或者在材料表面镀一层高反射金属涂层（如Ag等）。然而，无机红外反射颜料对紫外光和红外光的屏蔽能力无法达到日间辐射降温的要求，高反射金属涂层虽屏蔽能力强，但存在易腐蚀、镀膜工艺复杂和成本昂贵等缺点。

针对上述问题，作者从三维结构设计入手，提出将三维孔结构和定向富集无机球形颗粒的优势集于一身的设计理念。基于该设计理念，作者采用倒相法结合自沉积制备新技术，成功制备出以醋酸纤维素（CA）为骨架的辐射冷却型复合纤维膜。该薄膜材料由微米孔聚合物和单面定向富集二氧化硅（SiO2）微球构筑而成，其中，聚合物微米级三维孔结构可高效反射全波段的太阳光，单面富集球形SiO2可实现中红外热辐射功能的最大化利用。由于独特的三维结构，该复合纤维膜呈现出优异的光学性能，微米尺度的三维孔结构使纤维膜两侧的太阳光反射率均高达96~97%，且SiO2微球的单面定向富集，有效提升了复合纤维膜的红外发射率（高达95%），远高于未富积SiO2微球的一面（83%）。特别是太阳光反射率高于当前国际最新报道值，达到国际领先水平。基于反射光谱数据，作者进一步开展了理论降温功率计算，在不考虑非辐射传热（即不含热传导和热对流）影响的前提下，夜间的理论降温值高达~28 C，白天太阳光照下的理论降温值高达~18 C。即使将高达6.9 W·m-2·K-1的非辐射传热系数考虑在内，夜间和白天的理论降温功率也分别高达~11 C和~7 C。通过户外试验，再次验证了复合纤维膜优异的辐射降温性能，纤维膜在夜间可获得~8 C的降温效果，即使在白天光功率值高达900 W·m-2的强烈太阳光照下，也能达到6.2 C的降温效果。

近日，南京林业大学青年教师相波在国际著名能源类期刊《Nano Energy》（纳米能源，IF=16.602）上发表题为“3D Porous Polymer Film with Designed Pore Architecture and Auto-Deposited SiO2 for Highly Efficient Passive Radiative Cooling”的论文。相波为论文第一作者，南京大学唐少春教授、孟祥康教授为论文共同通讯作者，南京林业大学为第一作者单位。

传统的主动降温系统（如空调）在冷却降温时，往往伴随着大量的能量损耗以及对生态环境造成破坏的温室气体排放，寻求低能耗、环境友好的降温方式成为人们致力追求的目标。辐射冷却降温能够在不消耗任何不可再生能源的情况下，将热量以电磁波的形式辐射到外太空去，被认为是最有前景的被动降温方式。国际报道中，提升材料太阳光反射率常用的方法主要是通过加入红外反射颜料（如TiO2等）或者在材料表面镀一层高反射金属涂层（如Ag等）。然而，无机红外反射颜料对紫外光和红外光的屏蔽能力无法达到日间辐射降温的要求，高反射金属涂层虽屏蔽能力强，但存在易腐蚀、镀膜工艺复杂和成本昂贵等缺点。

针对上述问题，作者从三维结构设计入手，提出将三维孔结构和定向富集无机球形颗粒的优势集于一身的设计理念。基于该设计理念，作者采用倒相法结合自沉积制备新技术，成功制备出以醋酸纤维素（CA）为骨架的辐射冷却型复合纤维膜。该薄膜材料由微米孔聚合物和单面定向富集二氧化硅（SiO2）微球构筑而成，其中，聚合物微米级三维孔结构可高效反射全波段的太阳光，单面富集球形SiO2可实现中红外热辐射功能的最大化利用。由于独特的三维结构，该复合纤维膜呈现出优异的光学性能，微米尺度的三维孔结构使纤维膜两侧的太阳光反射率均高达96~97%，且SiO2微球的单面定向富集，有效提升了复合纤维膜的红外发射率（高达95%），远高于未富积SiO2微球的一面（83%）。特别是太阳光反射率高于当前国际最新报道值，达到国际领先水平。基于反射光谱数据，作者进一步开展了理论降温功率计算，在不考虑非辐射传热（即不含热传导和热对流）影响的前提下，夜间的理论降温值高达~28 C，白天太阳光照下的理论降温值高达~18 C。即使将高达6.9 W·m-2·K-1的非辐射传热系数考虑在内，夜间和白天的理论降温功率也分别高达~11 C和~7 C。通过户外试验，再次验证了复合纤维膜优异的辐射降温性能，纤维膜在夜间可获得~8 C的降温效果，即使在白天光功率值高达900 W·m-2的强烈太阳光照下，也能达到6.2 C的降温效果。

此外，该研究报道的制备技术具有成本低、工艺简单、适合大规模生产等优点，这种材料在应用中不仅能够自支撑，还能够像涂料一样，在各种不同的基体材料（如金属、木材、塑料、纤维布料等）表面沉积，从而达到高效降温节能的目的，因此在建筑节能、可穿戴降温等领域具有广阔应用前景。该工作为高性能辐射冷却型被动降温材料的设计和制备提供了一种有效途径。

该项研究工作得到国家自然科学基金、国家自然科学基金物理专项、中国博士后基金、中央高校基本科研专项资金、江苏省博士后基金以及江苏省高校优势学科建设工程项目的资助。

来源：南京林业大学

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520311733

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