同济大学郑威研究员AFM：新型防火节能涂层问世，为可持续建筑提供全天候辐射冷却解决方案！

近年来，全球变暖问题日益严峻。2024年7月22日成为有记录以来最热的一天，全球平均气温高达17.16°C。极端高温不仅直接威胁人类健康，还引发了诸如野火等次生灾害，例如2025年洛杉矶野火导致至少30人死亡、超过1.8万栋建筑被毁。传统空调系统虽能降温，但其高能耗进一步加剧温室气体排放。被动辐射冷却（PRC）涂层作为一种节能替代方案，通过反射太阳辐射并发射红外线实现无能耗冷却，然而现有涂层大多易受紫外线老化、雨水侵蚀，且缺乏防火能力，限制了其在实际建筑中的应用。

为解决上述问题，同济大学郑威研究员、南昆士兰大学宋平安教授合作，开发出一种可扩展、耐用且防火的全天候被动辐射冷却涂层。该涂层由分子工程设计的阻燃共聚物（PVHT）、空心玻璃微球（HGM）和氧化硼（B₂O₃）组成，具有高太阳反射率（>94%）、高红外发射率（>95%），并表现出卓越的防火性能（UL-94 V-0等级，极限氧指数达88.5%）与环境耐久性。相关论文以“ A Scalable, Durable, Fire-Safe All-Day Passive Radiative Cooling Coating for Sustainable Buildings ”为题，发表在Advanced Functional Materials上，论文第一作者为Ma Zhewen。

图1展示了该涂层的设计理念与实际应用效果。左图揭示了野火对森林与建筑的威胁，右图则示意了PVHT/HGM/B₂O₃涂层在建筑屋顶与外墙的作用机制：高温下涂层形成玻璃态熔融层，填充裂缝，形成完整隔热炭层。图1B显示涂层浆料具有良好的流动性，适用于多种施工方式；图1C展示了固化后的白色涂层外观；图1D说明通过PVHT与无机颗粒间的动态氢键作用，HGM形成框架结构；图1E总结了涂层在防火性、成本、冷却效率与耐久性方面的综合优势。

图1： 防火型全天被动辐射冷却涂层示意图。A) 野火对森林和建筑的威胁（左图）；辐射冷却涂层（PVHT/HGM/B₂O₃）在建筑屋顶和外墙的作用模式（右图）。高温下形成玻璃态熔融层，填充缝隙，形成无缺陷隔热炭层。B) 乙醇/水混合中的PVHT/HGM/B₂O₃浆料，具有良好的流动性。C) 挥发性溶剂固化后的防火全天被动辐射冷却涂层。D-D1) 通过PVHT与无机颗粒之间的动态氢键形成以HGM为框架的涂层模型示意图。E) PVHT/HGM/B₂O₃涂层的优势。

图2重点展示了涂层经PFDS处理后的超疏水性能。SEM图像显示表面粗糙度增加，EDX元素 mapping 表明表面富含氟元素（30.8 wt%），XPS进一步证实C-F键的存在。水接触角从未处理的49°提升至153°，表现出极佳的抗水、抗污染和抗化学腐蚀能力。

图2： PVHT/HGM/B₂O₃涂层的耐水性能。A) 涂层表面SEM图像；B) PFDS处理前后涂层的红外光谱；C,D) 宽扫描和高分辨率XPS谱图；E) 处理前后水接触角（WCA）值；F) 水滴在涂层上的超疏水表现；G) 水滴与涂层表面接触与分离过程；H) 水柱在涂层表面的反弹；I) 涂层对酸、碱、氯化铁、醋酸铜等液体的抗渗透性能。

图3分析了涂层的光学与热学性能。不同厚度的涂层均表现出高太阳反射率，400 μm厚度时达94%，红外发射率达95%。模拟太阳照射实验显示，涂层能使钢、陶瓷和玻璃基材温度分别降低14.5°C、22.5°C和8.1°C。实地测试中，白天涂层表面温度低于环境温度2.7°C，夜间低5°C。此外，涂层在连续3小时水洗和336小时紫外线老化后仍保持光学性能稳定。

图3： PVHT/HGM/B₂O₃涂层的光学与热性能及其对水和紫外线的优异抵抗能力。A) 涂层厚度对太阳反射率的影响；B) 400 μm厚涂层的太阳反射率与红外发射率；C,D) 模拟太阳加热实验示意图与温度变化曲线；E) 不同基材在白天和夜间的温度测量；F,G) 模拟雨水实验示意图及水洗3小时后的反射率与显微镜图像；H) 紫外线老化336小时后的反射率与显微镜图像。

图4展示了涂层的实际应用与节能潜力。户外实验显示，涂层钢板比未涂层低8.2°C。木屋模型在模拟极端热环境下，涂层屋内温度比未涂层低19.8°C，比环境温度低8.7°C。全球15个城市的模拟结果表明，涂层可显著降低制冷能耗与碳排放，尤其在悉尼、里斯本和巴黎等温带城市节能效果达25%以上，年均可节省电费超过213美元。

图4： PVHT/HGM/B₂O₃涂层的实际应用与能耗模拟。A) 户外钢板与涂层钢板的红外热成像对比；B) 实验装置示意图；C) 温度-时间曲线；D) 2024年7月22日全球热力图；E,F) 参比建筑与涂层建筑的制冷能耗与节能对比；G,H) 碳排放对比；I–K) 西安、布里斯班、洛杉矶的月度能耗与节能分布；L) 年均节能费用。

图5系统评估了涂层的防火性能。锥形量热测试显示，PVHT/HGM/B₂O₃涂层具有最低的热释放率（10.1 W/g）和总热释放量（2.17 kJ/g）。但其烷火焰测试中，涂层在1300°C高温下持续60秒未被点燃，5分钟后仍保持结构完整。涂层还能有效保护钢材、木材和多种聚合物泡沫，显著延缓升温、抑制烟雾和有毒气体释放。

图5： PVHT/HGM/B₂O₃涂层的防火性能。A) 热释放能力、LOI值与UL-94等级；B) 丁烷火焰点火测试；C) 钢板表面温度测量装置示意图；D) 钢板与涂层钢板的表面温度随时间变化；E,F) 木材与涂层木材的热释放率（HRR）与总烟释放量（TSR）曲线；G,H) 木屋与涂层木屋在丁烷火焰下的燃烧行为对比；I) 模拟野火场景下涂层与未涂层木屋的演变对比。

该项研究成功开发出一种兼具高效辐射冷却、卓越环境耐久性与优异防火性能的多功能涂层，适用于多种基材与气候条件。通过集成光学设计、热管理与防火保护，该涂层为野外-城市交界地区的建筑提供了一种可持续、经济高效的解决方案，不仅显著降低能源消耗，还有效提升建筑在极端天气与火灾中的安全性，具有广阔的应用前景。

来源：高分子科学前沿

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