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纯天然空调制冷技术问鼎Science:不用电,无排放!

2018-09-28 16:31:35

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空调-1.jpg

第一作者:J. Mandal

通讯作者:N. Yu、Y. Yang

通讯单位:美国哥伦比亚大学

研究亮点:

1.发展了一种操作简单、成本低廉、可规模化的多级次微纳米多孔聚合物涂层制备方法。

2.实现了高效率的被动辐射冷却性能。

每到炎炎夏日,我们都会想到两个人。一个是后羿,射掉了9个太阳;另一个是Willis Haviland Carrier,现代空调系统的发明者。然而,长期呆在空调环境中可能会导致人体体温调节能力减弱,各种生理功能紊乱等问题。而且,目前的空调系统带来大量能耗和环境问题。因此,有必要开发新型的空调制冷技术。

辐射冷却是指物体通过反射太阳光和辐射散去热能的过程,不需要损耗电能就能实现环境的被动降温。问题在于,现有的辐射冷却技术要么效果不好,要么不实用。而辐射冷却技术的关键之一,在于表面涂层的性能。

有鉴于此,美国哥伦比亚大学N. Yu和Y. Yang团队报道了一种操作简单、成本低廉、可规模化的多级次多孔聚合物涂层制备方法,实现了高效率的被动辐射冷却。

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图1. P(VdF-HFP)HP薄膜的制备和光学性能 

材料的选择:

P(VdF-HFP)具有优异的电磁性能,其作为被动辐射冷却涂层具有以下几个优势,从而确保了P(VdF-HFP)可以在LWIR窗口有效辐射热量。

1)在太阳光谱区域(λ = 0.3-2.5 μm)具有可以忽略的消光系数,使太阳光加热降低到最小。

2)分子结构中不同的振动模式,导致在热波长处具有多个消光峰。

3)具有优异的抗老化、防污、防紫外线能力。多孔结构使得薄膜更具疏水性能。 

简便的涂层制备方法:

研究人员以P(VdF-HFP)、水和丙酮混合物作为前驱体溶液(水不是溶剂,丙酮是溶剂),采用相转化法制备得到多级次多孔聚合物膜,放置在于基底上然后在空气中干燥。丙酮的快速蒸发导致P(VdF-HFP)从水中发生相分离,从而形成微纳米尺度的液滴。水蒸干之后,富含微纳米孔道结构的P(VdF-HFP)HP薄膜也就形成了。 

值得一提的是,这种涂层可以通过类似刷墙的方式进行施工,对于实际应用极具吸引力。可以采用刷涂、浸涂、喷涂等各种工艺,也适用于金属、木材、塑料凳多种基材。除此以外,P(VdF-HFP)HP还可以做成稳固的科循环的片层材料。

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图2. P(VdF-HFP)HP光学性能

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图3. P(VdF-HFP)HP涂层的通用性 

优异的辐射冷却性能:

由于微纳米孔道结构的存在,薄膜具有极佳的反向散射太阳光和增强热辐射的能力。研究发现,厚度大于300μm,孔隙度超过50%的P(VdF-HFP)HP薄膜半球为0.96, 为0.97。当厚度大于500μm时,可以达到0.98以上。超高的值确保了对太阳光的有效反射,并避免了之前设计中广泛使用的银反光器。

在太阳光强度为890和750 W m-2条件下,涂层可将室温自然降低6℃左右,冷却功率为96 W m-2。这一性能足以媲美目前最好的被动辐射冷却技术。

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图4. P(VdF-HFP)HP辐射冷却性能

总之,这项研究利用相转化法开发了一种操作简单、成本低廉、可规模化的多级次多孔聚合物涂层制备方法,实现了高效率的被动辐射冷却性能,为更宜居的生活环境,更节能环保的空调系统的设计起到了重要推动作用! 


参考文献:

J.Mandal, Y. Fu, N. Yu, Y. Yang et al. Hierarchically porous polymer coatings forhighly efficient passive daytime radiative cooling. Science 2018.

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/09/26/science.aat9513?rss=1

来源:纳米人

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