Chemical Engineering Journal | 具有双窗口发射的SiO₂基全无机日间辐射冷却涂层

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成果介绍

本研究针对现有被动辐射冷却涂层普遍依赖有机粘结剂（存在VOC排放等环境隐患）且机械耐久性不足的问题，开发了一种基于“颗粒堆积”策略的全无机、防火安全的辐射冷却涂层。该涂层以碱性硅溶胶为粘结剂，以球形非晶SiO₂（SA-SiO₂）和α-SiO₂为功能填料，通过优化三元颗粒级配（硅溶胶:SA-SiO₂:α-SiO₂=1:3:1），实现了92.2%的太阳反射率和覆盖第一（8-13 μm）与第二（16-25 μm）大气窗口的宽带中红外发射率（均>90%），铅笔硬度达8H。无机骨架赋予涂层抗紫外老化能力和本征不燃性，在约1300°C极端火焰攻击下可原位形成致密陶瓷屏蔽层，保护可燃基材超过480 s，且零有毒排放。户外实测表明，该涂层在夏季可使模型房屋内部空气温度比商用白色涂层低约4-6°C，冬季仍保持稳定的辐射排热性能。EnergyPlus模拟显示，在长三角、珠三角等人口密集经济枢纽，年冷却节能率超过10%。该工作为下一代可持续绿色建筑提供了可规模化、环保、超耐久的本征防火安全辐射冷却涂层解决方案。

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研究背景

全球变暖与城市不透水面快速扩张协同加剧了城市热岛效应，不仅推高建筑制冷能耗、形成废热回排的恶性循环，还加剧了水文气象灾害，使持续热浪成为城市及野火-城市交界带火灾的强力催化剂。被动日间辐射冷却技术通过选择性反射大部分太阳辐照（0.3-2.5 μm），同时透过大气透明窗口（8-13 μm）向外太空（约3 K）发射热能，可在无外部能量输入下使建筑表面温度降至环境温度以下，成为应对过热与火灾双重威胁的零能耗热管理方案。

近年来，辐射冷却范式通过光子超材料、分级多孔聚合物框架和随机分布颗粒-聚合物复合材料等结构工程策略取得了显著的光学性能突破。然而，这些最先进的辐射冷却器大多依赖有机聚合物基体或复杂纳米结构，在长期紫外辐射和恶劣天气下易发生光氧化，导致黄变和冷却效率快速下降。更关键的是，这些有机聚合物的固有可燃性构成重大安全隐患——火灾时涂层可作为燃料加速火焰蔓延。为提升防火安全，研究者通过在有机基体中引入阻燃添加剂开发阻燃辐射冷却涂层，但即使阻燃有机涂层在高温下仍不可避免地分解释放有毒烟雾、VOC和危险燃烧副产物。相比之下，全无机辐射冷却涂层凭借其本征不燃性、优异热稳定性、耐候性和环境友好性成为有前景的解决方案。近年来水泥基、硅酸盐基、磷酸盐基地聚合物和陶瓷基涂层发展迅速，通过引入SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂和BaSO₄等高散射颗粒，可实现90%以上的太阳反射率和90%-96%的中红外发射率，户外亚环境降温4-6°C。然而，水泥基材料需现配现用、难以喷涂或辊涂，刮涂时涂层过厚（毫米至厘米级）导致材料成本高；ZrO₂/硅酸钾涂层中硅酸钾水溶性，碱激发体系碱性高且环境有害，磷酸盐体系需高温固化；陶瓷和玻璃涂层依赖高温烧结工艺，严重制约其在建筑中的大规模应用。

基于以上背景，本研究报道了一种坚固、全无机、环保的辐射冷却涂层，通过以碱性硅溶胶为粘结剂、以球形非晶SiO₂和α-SiO₂混合物为功能填料的“颗粒堆积”策略，制备了本征不燃、抗紫外老化的全无机MS涂层体系。该体系在热攻击过程中零排放，不释放有毒烟雾或VOC，兼具高光学性能、双窗口发射、优异力学硬度和本征防火安全性，为下一代可持续绿色建筑材料开辟了新路径。

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相关数据

图1. 不同重量比下MS涂层的光学与硬度性能。(A) 不同组分重量比MS涂层的平均反射率、第一大气窗口平均发射率和第二大气窗口平均发射率；(B) 不同组分重量比MS涂层的铅笔硬度；(C) 不同组分重量比MS涂层的光谱反射率RS和光谱发射率EIR。

图2. 涂层表征。(A) MS涂层的SEM图像；(B, C) MS涂层中O、Na、Si、Al的EDS元素分布图；(D) MS涂层的XPS曲线；(E) 球形SiO₂颗粒的粒径分布；(F) MS涂层、硅溶胶、SA-SiO₂和α-SiO₂的FTIR光谱；(G) MS涂层、硅溶胶、SA-SiO₂和α-SiO₂的XRD图谱。

图3. MS涂层成膜过程示意图。(A) 沉积在基材表面的湿膜示意图，由SA-SiO₂、α-SiO₂和硅溶胶组成；(B) 水分蒸发后干燥复合涂层中各组分的微观堆积形貌；(C) 硅溶胶粘结剂粘附于SA-SiO₂和α-SiO₂表面；(D) 二氧化硅粉末表面羟基与硅溶胶纳米颗粒表面羟基通过脱水缩合共价键合，生成稳定的-O-Si-O-键；(E) 通过表面羟基脱水反应实现硅溶胶纳米颗粒间的颗粒间连接，伴随-O-Si-O-化学键的形成。

图4. 户外冷却测试。(A) 户外测试自然环境；(B) 房屋模型示意图；(C) 夏季太阳辐射功率曲线；(D) 夏季湿度和风速；(E) 夏季房屋模型表面和环境温度实时数据；(F) 夏季房屋模型内部和环境温度实时数据；(G) 冬季太阳辐射功率曲线；(H) 冬季湿度和风速；(I) 冬季房屋模型表面和环境温度实时数据；(J) 冬季房屋模型内部和环境温度实时数据。

图5. MS涂层的热性能。(A) MS涂层热重分析；(B) MS涂层差示扫描量热分析；(C, D) 燃烧过程数码图像，显示商用涂料涂覆木板和MS涂层（约400 μm厚）涂覆木板在丁烷火焰中的燃烧状况；(E) 恒温加热阶段基材、MS涂层和商用涂层的红外热像；(F) 对应表面温度；(G) 隔热性能测试；(H) 测试后商用涂层（左）和MS涂层（右）；(I) 对应背面温度。

图6. MS涂层的稳定性。(A) 各种稳定性测试后MS涂层的平均反射率、第一大气窗口平均发射率和第二大气窗口平均发射率；(B) 各种稳定性测试后MS涂层的铅笔硬度；(C) 光谱反射率RS和光谱发射率EIR。

图7. EnergyPlus节能模拟。(A) 制冷负荷与节能率；(B) 制热负荷与节能率；(C) 总负荷与节能率；(D) 模拟建筑模型。

主要性能数据汇总：MS涂层（硅溶胶:SA-SiO₂:α-SiO₂=1:3:1）太阳反射率92.2%，第一大气窗口（8-13 μm）平均发射率90.87%，第二大气窗口（16-25 μm）平均发射率92.35%，铅笔硬度8H；散射颗粒实际体积分数约41.4%，与理论最优值约40%高度吻合；孔隙率约55%，孔径分布集中于0.3 μm；TGA总质量损失小于1.8%，DSC在约1160°C出现放热峰（非晶SiO₂结晶/烧结为方石英相）；夏季户外测试太阳辐照度平均约650 W/m²、峰值846 W/m²（11:00），相对湿度50%-70%，MS涂层表面温度比商用涂层低约3-5°C，室内峰值温度降低约4-6°C；冬季测试太阳辐照度平均约550 W/m²、峰值680 W/m²（12:30），MS涂层与商用对照表面温差近8°C；双窗口验证中，MS涂层第二窗口发射率92.4%显著优于Al₂TiO₅涂层81.5%，室内降温比环境低约4.5°C，比Al₂TiO₅参比额外增强2.5°C；理论计算在环境温度30°C、太阳强度800 W/m²、ΔT=0°C时净冷却功率约82 W/m²，非辐射换热系数hc为3、6、9、12 W/(m²K)时平衡温降分别约9.2、6.8、5.5、4.8°C；火焰测试（约1300°C丁烷喷枪）中商用涂层90 s火焰加剧、150 s烧穿4 mm木板，MS涂层180 s自熄、480 s仍未烧穿；隔热测试中商用涂层背面温度150 s内升至近190°C，MS涂层仅约165°C（温差约25°C）；耐久性测试中1000°C煅烧后太阳反射率>92%、铅笔硬度提升至9H，2个月紫外照射后保持高反射率和8H硬度，水浸后硬度降至5H（可逆物理水合），摩擦后反射率降至约85%但仍保持>80%发射率；超疏水改性后太阳反射率从92.2%降至91.4%（仅降0.87%），第一窗口发射率从90.9%降至89.4%（仅降1.65%），第二窗口发射率从92.4%升至93.0%（升0.65%）；EnergyPlus模拟显示长三角、珠三角年冷却节能率超过10%。

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DOI: 10.1016/j.cej.2026.178454

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