多孔PMMA&PDMS用于辐射制冷

论文信息：

Di-Ci Kang, To-Yu Wang, Duo-Syuan Lin, Ying-Shuo Cheng, Chao-Wei Huang, PDMS with porous PMMA dual-layer coating for passive daytime radiative cooling, Solar Energy Materials and Solar Cells 282, 113380 (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2024.113380

研究背景

目前对蒸汽压缩制冷技术的依赖与高能耗和大量制冷剂的释放有关，加剧了环境问题。这些系统中热循环的持续运行消耗了不可再生的化石燃料，增加了碳排放，并进一步加剧了全球变暖和城市热岛效应的影响。因此，迫切需要探索既节能又环保的替代制冷技术。为了应对这一挑战，人们对探索可再生能源和开发不需要能源消耗的冷却解决方案的兴趣日益浓厚。其中，被动日间辐射冷却 (PDRC) 已成为一种新颖且有前途的方法。PDRC 通过热辐射降低物体的温度，将热量从较温暖的表面散发到较冷的环境中，而无需额外的电能或产生污染物。当物体与外太空之间存在显着温差 (3 K) 时，PDRC 会根据物体的材料特性实现自发热辐射。当辐射热损失超过从周围环境获得的热量时，就会实现冷却。

研究内容

本研究采用相分离和叶片涂层技术，利用聚合物和空气之间的折射率差 (n = 1) 将透明 PMMA 聚合物转化为多孔 PMMA 涂层，以实现有效的太阳光散射。该过程首先将 PMMA 颗粒与 DMAC 和去离子水混合，聚合物含量固定为 23 wt%。非溶剂含量调整为 0、2.3、4.6 和 5.8 wt%。充分混合后，使用刀片式涂布机将溶液涂布到玻璃基板上，确保基板不会影响涂层的光学特性。然后将包被的样品在室温下风干，得到最终的 P-PMMA 涂层。此外，将进一步调整 P-PMMA 涂层的厚度，并研究其光谱分析结果。

预制的 P-PMMA 涂层用作双层结构的底层。通过将基剂、固化剂和叔丁醇以 1：0.1：0.25 的质量比混合，然后加热和搅拌 1 小时以开始预固化来制备 PDMS 顶层。在涂布之前，混合物经过超声波处理。然后使用刮刀涂布机将 PDMS 涂覆到 P-PMMA 层上。PDMS 层的厚度是根据对各种厚度的发射光谱的模拟来确定的，从而可以选择最佳厚度。涂层后，样品经过热固化，形成完整的 PDRC 双层结构。

为了验证样品在降低温度方面的有效性，设计了一个户外实验装置，如图1(a) 所示。该装置使用高绝缘聚苯乙烯泡沫作为主要结构组件，以最大限度地减少环境热传导对样品的影响。鉴于 LDPE 膜具有高透射率，每个腔室的顶部都覆盖有低密度聚乙烯 (LDPE) 薄膜，以将样品与环境对流热效应隔离开来。室外实验装置由几个腔室(4 cm × 4 cm × 5 cm)组成，每个样品放置在单独的腔室中，如图1(b) 所示。

图1.(a) 户外实验装置、太阳能日射强度计和气象站;(b)几个独立的样品放置室;(c) 室外实验装置示意图。

采用 UV-Vis-NIR 光谱法测量 P-PMMA 涂层的反射光谱，如图2(a) 所示。在某些 UV 波段中，涂层的太阳反射率略高于 100%，这可能是由于涂层的反射率高于 BaSO₄ 参考值。在Huang等和Jing等之前的研究中也观察到了类似的现象。总体而言，含水量的增加导致平均太阳反射率更高。具体来说，在含水量为4.6 wt%的情况下，平均太阳反射率达到96.2 %。然而，当含水量为5.8 wt%时，平均反射率略有下降。根据SEM分析，在含水量为4.6 wt%时，孔径分布主要在0.5-2.5 μm范围内，有效地散射了太阳光谱中最强的部分，并实现了最高的平均太阳反射率。然而，在含水量为5.8 wt%时，过高的水浓度会导致孔径增加，逐渐使Mie散射范围从0.5 μm的波长转移出去。这一特性降低了米氏散射的有效性，导致平均太阳反射率降低到94.1%。

图 2.四种不同含水量(0 wt%、2.3 wt%、4.6 wt% 和 5.8 wt%)的 P-PMMA 涂层的光谱：(a) 反射率和 (b) 300 μm 厚度的发射率;(c) 不同厚度(50 nm、100 nm、300 nm、400 nm、500 nm 和 650 nm)含水量为 4.6 wt% 的 P-PMMA 。

图3(a) 显示了不同厚度(25、50、100、150 和 200 μm)的 PDMS 涂层的发射光谱，最终选择150 μm的厚度作为顶层。

图 3.(a) 发射率光谱和 (b) PDMS 涂层在 25、50、100、150 和 200 μm 不同厚度下的平均发射率。

如图4(a)所示，初始 P-PMMA 涂层的平均太阳反射率为 98.1 %。涂覆150 μm厚的 PDMS 层后，由于 PDMS 的低反射率特性，PDMS/P-PMMA 双层涂层的反射率略有下降。具体来说，它在紫外 (<0.3 μm)和近红外(1.1–2.5 μm)区域的反射率降低，导致平均太阳反射率为 96.7 %。尽管反射率有所降低，但反射率仍然优于商业涂料。在图5(b) 中，大气窗口范围内的发射光谱显示，初始P-PMMA涂层的平均发射率为 88.28 %。随着 PDMS 层的增加，平均发射率增加到 94.5 %，这与单个 PDMS 层的发射率相当。

图4.(a) 反射光谱;(b)发射光谱;(c) PMDS、P-PMMA、PDMS/P-PMMA 和商业涂层的 FTIR 光谱。

在图5 中，在热平衡条件下，P-PMMA 和 PDMS/P-PMMA 涂层在低于环境温度下均表现出冷却性能。

图5.P-PMMA 涂层在 (a) 白天和 (b) 夜间的净冷却能力;PDMS/P-PMMA 涂层在 (c) 白天和 (d) 夜间的净冷却能力。

红外热像仪可以初步用于评估物体之间的温差。利用红外热像仪评估了 PDMS/P-MMA 涂层和商业涂层的冷却性能，如图6所示。图像揭示了 PDMS/P-PMMA 和商业涂层之间的颜色差异，并表明商业涂层的温度为 36.8 °C，而 PDMS/P-PMMA 涂层的温度低了约 5 °C，如图6(a) 所示。此外，将 PDMS/P-PMMA 涂层涂覆在木材表面的一半上，涂层区域和未涂层区域之间的温差为 2 °C，如图6(b)所示。这些结果表明，PDMS/P-PMMA 涂层在阳光直射下有效降低了温度(没有 LDPE 薄膜覆盖)。

图 6.(a) PDMS/P-MMA和商业涂料的热红外图像;(b) 无涂层和 PDMS/P-MMA 涂层木材的热红外图像。

结论与展望

在这项研究中，使用相分离和叶片涂层技术成功开发了多孔 PMMA (P-PMMA) 涂层。通过改变非溶剂(水)的浓度，定制了 P-PMMA 涂层的孔径分布。UV-Vis-NIR 光谱显示，P-PMMA 涂层的平均太阳反射率高达约 98.1%。在 150 μm 处选择最佳 PDMS 厚度后，PDMS/P-PMMA 涂层在大气窗口范围内的平均太阳反射率约为 96.7%，平均发射率约为 94.5%。PDMS 顶层将疏水角显著提高至 121.13°。理论计算表明，PDMS/P-PMMA涂层的日间冷却功率达到77.28 W/m2，而夜间冷却功率达到 120.66 W/m2.在室内冷却实验中，与腔室环境相比，PDMS/P-PMMA 涂层将温度平均降低了约 15 °C。在室外实验中，与腔室内的空气温度相比，涂层将温度降低了最高约 6.7 °C。红外热成像还证实，PDMS/P-PMMA 涂层木材的温度较低。综上所述，本研究开发的 PDMS/P-PMMA 双层涂层易于制造、成本效益高，具有大规模制造的潜力。理论计算和实验结果(包括室内和室外冷却测试和红外热成像)都证实了这种涂层表现出卓越的冷却性能。