通过合理调整相分离优化聚合物薄膜的多孔结构，实现被动全天辐射冷却

论文信息：

L. Li, G. Liu, Q. Zhang, H. Zhao, R. Shi, C. Wang, Z. Li, B. Zhou, and Y. Zhang. Porous Structure of Polymer Films Optimized by Rationally Tuning Phase Separation for Passive All-Day Radiative Cooling. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024.

论文链接:

https://doi.org/10.1021/acsami.3c19173

研究背景

传统的冷却方式，如空调，消耗大量电力，导致全球变暖等环境问题。因此，开发高效环保的冷却技术至关重要。辐射冷却技术利用地球（300 K）和冷外层空间（2.7 K）之间的温差，将热量传递到冷外层空间，无需消耗能源。被动全天辐射冷却 (passively all-day radiative cooling, PARC) 薄膜需要材料具有大气窗口（8-13μm）中高的发射率，以及设计精确的结构来实现在太阳光谱范围（0.3-2.5μm）高的反射率。研究表明，无溶剂诱导相分离（NIPS）方法对制备聚合物膜中的多孔结构有效。该研究选择PVDF-HFP作为原材料，通过调节相分离程度优化了多孔结构，获得了PVDF-HFP膜，其太阳反射率和中红外发射率分别为97.7%和96.7%。户外测试表明，PVDF-HFP膜可实现约5.4°C的低于环境温度的凉爽温度，并在夜间可达约11.2 °C。此外，PVDF-HFP膜具有出色的耐久性，这归因于其超疏水性、耐水蒸汽渗透性和良好的机械性能。本文提出了一种调节聚合物-混合溶剂膜多孔结构的思路，可在大规模上实现全天辐射冷却。

研究内容

PVDF-HFP薄膜采用NIPS工艺制备，形成层次分明的多孔结构。本文通过调节溶剂ACE和DMF的比例，制备出具有不同多孔结构的PVDF-HFP薄膜。经优化后的薄膜具有出色的性能，包括高太阳反射率（97.7%）和中红外发射率（96.7%），适用于绿色建筑冷却应用。

图 1. 具有分层多孔结构的PVDF-HFP薄膜的制备、形貌和光学性能。(a) PVDF-HFP薄膜的制作过程示意图。(b) NIPS过程说明。(c)通过刮涂和喷涂在建筑物上的PVDF-HFP膜示意图。(d) PVDF-HFP-5胶片照片。(e) 400 μm厚PVDF-HFP-5薄膜在太阳和中红外波长范围内的光谱反射率。

图 2. PVDF-HFP膜的形态和孔隙结构。(a)混合溶剂与PVDF-HFP溶解度参数的差异。(b) PVDF-HFP-5薄膜的SEM图像。(c) PVDF-HFP-5的放大SEM图像如图2b所示。(d) PVDF-HFP-5膜的孔径分布。(e)不同DMF体积比形成的PVDF-HFP膜的表面和整体孔隙率。

图 3. PVDF-HFP薄膜的光学性能。(a)模拟孔径为0.1 ~ 10 μm的PVDF-HFP在太阳波长范围内的散射系数。(b)不同DMF体积比下PVDF-HFP薄膜的太阳反射率和中红外发射率。(c) PVDF-HFP薄膜与其他报道的PVDF-HFP冷却器光学特性的比较。(d)具有分层多孔结构的PVDF-HFP薄膜在太阳辐照下的散射效应示意图。

图 4.PVDF-HFP薄膜的室外辐射制冷性能。(a)辐射冷却装置结构图。(b)室外冷却平台照片。(c)实验地点和天气资料。(d) 2023年5月22日至2023年5月23日在室外冷却平台连续记录37 h的温度、太阳辐照度和ΔT。(e)不同DMF体积比下PVDF-HFP膜的ΔT平均值。

图5. PVDF-HFP薄膜的实际应用及辐射冷却性能。(a)房屋模型照片(从左至右:pvdf - hfp覆膜，乳胶漆覆膜和原件)。(b)房屋模型在阳光直射下1小时的红外热像图。(c)汽车模型照片(从左至右:涂有PVDF-HFP薄膜、商用车服装、裸模型)。(d,e)晴空条件下房屋模型(d)和汽车模型(e)的实时温度。(f,g)阴天房屋模型(f)和汽车模型(g)的实时温度。

图6. PVDF-HFP薄膜的耐久性。(a) PVDF-HFP胶片照片。(b)不同DMF体积比下PVDF-HFP膜的水接触角测量。(c)在PVDF-HFP薄膜上显示不同液体(茶、牛奶、咖啡和苏打水)滴的照片。(d)不同DMF体积比下PVDF-HFP膜的透气性。(e) PVDF-HFP薄膜可以扭曲和折叠形成折纸蝴蝶。(f)不同DMF体积比下PVDF-HFP薄膜的力学性能。

结论与展望

本文通过在NIPS过程中调整好溶剂的类型和比例来优化PVDF−HFP膜的孔结构。DMF延迟了相分离过程，导致了分级孔结构的形成。当DMF的体积比为50%时，优化后的PVDF−HFP薄膜具有分级多孔结构，太阳反射率和中红外发射率分别为97.7%和96.7%，在平均太阳辐照度为945 W·m-2时平均降温5.4°C，夜间甚至达到11.2°C。此外，PVDF−HFP膜还表现出优异的疏水性、极低的水汽渗透性、出色的柔韧性、优异的机械性能和高耐久性。具有分级多孔结构的这种辐射冷却膜有望应用于节能建筑、空间冷却和其他未来应用领域。

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