AFM：用于节能建筑的高性能低辐射涂料

论文信息：

Xiaojie Liu, Won-June Lee, Daniel William Carne, Yanpei Tian, Andrea Felicelli, Yue Lei, Joseph A. Romo, Liyan You, Zixin Xiong, Orlando Gabriel Rivera Gonzalez, Abdulrahman Aljwirah, Qiaoqiang Gan, Jianguo Mei, and Xiu linRuan, High-Performance Low-Emissivity Paints Enabled by N-Doped Poly(benzodifurandione) (n-PBDF) for Energy-Efficient Buildings, ADVANCE FUNCTIONAL MATERIALS , (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202419685

研究背景

随着人口增长和城市化加速，建筑能源需求迅速上升，气候变化进一步加重了建筑能源负担。建筑约占全球能源消耗的40%和碳排放的33%，其中超过40%的建筑能源用于供暖、通风和空调（HVAC）系统。为实现《巴黎协定》的减排目标，必须解决这一问题。建筑热调节主要有两种策略：依赖高能耗空调的主动方法，以及使用先进材料自然调节热传递的被动方法，如热致变色窗户等。墙壁在室内外热交换中占比约25%，传统材料散热性高，易致温度波动与不适。辐射冷却材料仅在天空窗口波段(8-13 μm)具有高发射率，但未解决寒冷气候中热量流失的问题。低辐射涂料在中红外甚至近红外波段有低热发射率，可减少热交换。多数商用低辐射涂料用金属材料实现低发射率，但存在外观与性能衰退问题。双层涂料虽有前景，却因红外透明粘合剂成本高难以扩展。导电聚合物面临诸多挑战，此前也无兼具可扩展、彩色、耐用的低辐射涂料。本文提出用新型导电聚合物n-PBDF，以可扩展、节能方式喷涂在商用涂料表面，展现出节能潜力。

研究内容

如图1e，在商用彩涂表面覆一层n-PBDF胶体超薄层，其在0.8 μm以上波长反射率显著提升，可减少近红外太阳热吸收（夏季节能），同时在中红外波段（室温热辐射集中区）高反射，降低建筑与环境的热交换，实现跨季节温控。通过将n-PBDF喷涂在被商业黑色油漆包围的印刷纸上的“P”图案来可视化其低发射率，如图1f。

图 1.用于建筑热调节的彩色低辐射涂料概念。涂有彩色低辐射涂料的建筑物墙壁与a)夏季和b)冬季周围环境之间的热交换过程示意图。c,d)涂有低辐射涂料和商业涂料的墙壁的表面温度与c)夏季和d)冬季的天空视因子(SVF)的函数关系。e)说明彩色低辐射涂料工作原理的示意图。底层是彩色商业涂料，可提供所需的外观以满足审美需求。顶层是可见光透明的n-PBDF基涂层，在红外区域具有高热反射率。f)照片（左）和相应的红外图像（右）显示低辐射“P”与具有高热发射率的商用黑色涂料形成鲜明对比。

本文将n-PBDF与外墙彩色涂料结合，展现其在建筑和车辆涂层的节能及光学性能应用潜力。图2a流程示意图表明，先涂商用彩涂，再通过大规模喷涂覆盖n-PBDF油墨溶液。图2b-d中的扫描电子显微镜(SEM)图像描绘了商用黑色涂料、n-PBDF颗粒以及涂覆在商用黑色涂料上的n-PBDF层的表面形态。图2e的原子力显微镜(AFM)图像，证实n-PBDF颗粒呈均匀纳米级（平均约28 nm），减少可见光散射、提升透光率。此外，采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱对四个不同样品的表面化学进行了定性分析（图2f）。图2g显示了n-PBDF油墨溶液在紫外-可见-近红外 (UV-vis-NIR)区域的清晰吸收光谱，尽管稀释了20倍以上仍有明显的极化子吸收，近红外区域吸收增强。

图 2.低发射导电聚合物涂层工艺的示意图和表征。a)将n-PBDF墨水大规模喷涂到预先涂有商业色油漆的各种基材上的示意图。插图显示了环保的乙醇基n-PBDF油墨解决方案，适用于轻松放大。b–d)SEM图像，说明b)商业黑色油漆，c)玻璃上的n-PBDF薄膜，以及d)黑色油漆层顶部的n-PBDF薄膜。e)在n-PBDF薄膜表面形成的纳米级聚集体颗粒的直径分布，上面板来自SEMc，d)和下面板来自AFM相位图像，突出了平均直径为≈28nm的纳米颗粒特征。f)玻璃/黑漆基底的四种不同薄膜的ATRFT-IR光谱。g)稀释超过20倍的n-PBDF油墨的UV-vis-NIR吸收光谱（插图：连续稀释的n-PBDF油墨溶液）。

图 3.低辐射涂料在太阳光和MIR波长下的可调光学特性。a)低辐射黑色涂料、n-PBDF和商用黑色涂料的反射光谱。插图显示了他们的照片，所有样品都涂在玻璃上。b)具有不同n-PBDF涂层厚度的低辐射黑色涂料的反射光谱。插图显示了他们的照片和相应的IR图像。c)涂覆在载玻片上各种厚度的n-PBDF涂层的模拟透射率和反射率光谱。d)在不透明BaSO上涂有各种厚度的n-PBDF涂层的低e黑色涂料的模拟反射光谱4-丙烯酸辐射冷却涂料。e)显示商业色涂料和双层低辐射涂料的照片。f)商业涂料（圆圈标记）和相应的不同颜色的低辐射涂料（三角形标记）的色度显示在CIE1931色彩空间中。g)MIR区域中商业涂料（实线）和低e涂料（虚线）的反射光谱。

本文研究了在不透明黑色涂料层顶部涂有不同厚度n-PBDF涂层的双层涂料的光学性能，揭示其降低商用涂料散热率的功能。低辐射黑色涂料、商用黑色涂料和涂覆在载玻片上的纯n-PBDF纳米颗粒的反射光谱如图3a所示。商用涂料在太阳和热波长范围内始终显示低反射率。双层低辐射涂料的散热率可通过改变n-PBDF顶层的厚度来调节，如图3b。图3c显示了四种不同n-PBDF涂层厚度的模拟光谱响应。四种厚度的反射率曲线几乎相同，这是由于大的消光系数引起顶部表面的高边界反射率和穿透薄膜的光的高吸收率。图3d比较了BaSO4的模拟反射率无面漆的丙烯酸辐射冷却涂料与四种不同厚度的n-PBDF涂料的对比。近红外的反射率主要由n-PBDF在近红外的大消光系数决定。作者设计的低辐射涂料的双层结构允许在各种颜色的商用涂料上使用相同的n-PBDF组成的顶层，如图3e-g所示。

图 4.演示了低辐射涂料在人工热和冷环境中的热调节。a)说明两面建筑墙之间的热交换过程的示意图。b,c)计算涂有低辐射黑漆和商用黑漆的墙壁表面温度，作为相邻建筑物表面温度的函数b)夏季和c)冬季。插图显示墙和地面的简化布局。d)面向热板的低辐射涂料和商用黑色涂料的温度响应实验装置。e,f)当e)热板温度从40 °C增加到70 °C和f)样品与热板之间的距离从20 cm变为5 cm时，具有不同n-PBDF涂层厚度的低辐射黑色涂料与商用黑色涂料的测量温度。h，i)当h)冷板温度从15 °C变为0 °C和i)样品与冷板之间的距离从15 °C变为5 cm时测得的温度。j)热（左）和冷（右）环境中的温度响应示意图。k，l)低辐射和商用黑色涂料在转移到k)热和l)冷环境后的瞬态温度响应。

图4a说明了建筑物与其周围环境（包括相邻物体和地面）之间的传热过程，突出了在不同气候条件下与商业涂料相比，低辐射涂料在稳定建筑温度方面的优势。图4b-c分别说明了在炎热和寒冷气候下涂有低辐射涂料和商业涂料的建筑物面对相邻物体的计算壁温。低辐射涂料和商用涂料在受控的冷热条件下的温度响应与商用涂料相比更为广泛，其在减少温度波动方面的能力，如图4d-i。

结论与展望

本研究展示了一种创新、可扩展且耐用的彩色低辐射涂料，其具有双层结构，包括超薄的顶部n-PBDF涂层和彩色商用涂料基层，在保持美观外观的同时实现了显著的热调节。作为一种透明有机导体，在商用涂料上涂覆200 nm厚的n-PBDF薄顶层可将发射率从0.95抑制至0.19。此外，顶部n-PBDF层的涂层厚度可以调节，以调整所得涂料的热发射率，这表明低辐射涂料的热调节和设计具有显著的灵活性。此外，作者研究的低辐射涂料与喷涂和刷涂等常见应用技术兼容，并能适应不同的表面几何形状，确保易于融入现有建筑实践，从而降低安装成本并促进广泛采用。这种方法标志着节能建筑围护结构的重大进步，在不牺牲设计美学的情况下增强了热稳定性。

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