陕西科技大学薛朝华教授团队《Applied Materials Today》：超疏水辐射降温多孔薄膜

辐射降温材料即使在炎热夏天的太阳直射下仍能保持低于环境温度而不消耗能量，展现出优异的降温效果，从而成为能源环境致冷材料研究领域的一个关注热点。该材料的降温原理主要利用材料高的太阳光反射特性以及中红外发射特性，即可通过8~13 μm之间的“大气透明窗口”将热量以电磁波的方式发射到寒冷的外太空。然而，该类材料在户外环境中经长时间的雨水冲刷、灰尘积淀或微生物滋生之后，其降温效果会大幅下降。

陕西科技大学薛朝华教授团队针对辐射降温材料在户外使用中存在的上述问题，发明了一种超疏水自清洁辐射降温薄膜及其制备方法，利用非溶剂诱导相分离法使聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯/聚二甲基硅氧烷(PVDF-HFP/PDMS)复合聚合物形成具有微/纳双重粗糙结构的三维多孔薄膜材料(图1)。利用PVDF-HFP和PDMS在中红外区（8-13 μm）的高发射特性和膜材料内部多孔结构所提供的高反射率和高红外发射率，结合P(VDF-HFP)和PDMS的低表面能性质和薄膜材料表面的微纳粗糙结构赋予材料表面超疏水性能，使材料兼具辐射自降温和自清洁功能。

图1. 超疏水辐射降温薄膜PVDF-HFP/PDMS的制备及性能

所制备薄膜的内部多孔结构及表面微纳粗糙结构协同作用，使得材料的太阳光反射率高达96.5％，热红外（8-13 μm）发射率高达94.3％，其在日光直射下比周围环境温度低13.8°C；涂层表面的水滴接触角高达162.3°，滚动角低至2.0°，具有优异的防污和自清洁性。这些材料放置室外一个月仍能保持优异的辐射降温性能，保障了降温效果的持久性。该工作的研究实验由博士生柳冰莹完成，于2019年8月21日申请了国家发明专利并于2021年6月15日获批授权（ZL201910774588.9），2019年11月8日申请国际发明专利并于2021年2月23日获批授权（US10927244B1）。

在此基础上，团队进一步拓展超疏水辐射降温聚合物薄膜的制备方法及机理研究。博士生王慧迪通过溶剂交换法制备出具有多孔结构的三元乙丙橡胶/疏水二氧化硅(EPDM/SiO₂)有机无机复合薄膜（图2）。复合薄膜的接触角为162°，滚动角为1.2°；在太阳光波段的平均反射率可达96%，大气透明窗口的平均发射率为95%。在炎热强日光照射下的空气流通环境中，该薄膜可实现比周围环境平均温度低7℃左右；在无空气对流和传导的理想条件下降温12℃。另外，薄膜的超疏水自清洁特性使其表面避免被外界污染从而保持稳定的降温效果，并且复合薄膜经酸碱盐溶液浸泡、紫外光照射和物理摩擦后仍可以保持稳定的超疏水性能和辐射降温性能。该成果于2021年9月发表在期刊Applied Materials Today上（文章信息：Superhydrophobic porous film fordaytime radiative cooling，https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101100）。

图2. 超疏水辐射降温薄膜EPDM/SiO₂的制备及性能

该工作通过对聚合物材料的微观结构进行调控实现了辐射降温性能和超疏水性能的协同共存，极大地延长了辐射降温材料的使用寿命，并且该材料的制备可通过溶液浇筑或涂布的方式进行大面积生产，有望为节约能源和保护环境提供有效的解决方案。本课题得到了国家自然科学基金、博士后科研基金和陕西省自然科学基金等项目的支持。

来源：高分子科学前沿

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