超疏水日间被动辐射制冷多孔结构的构筑及其在织物上的应用

摘要

人类利用不可再生能源进行散热产生的热污染，致使城市热岛效应和全球变暖等现象越发严重。环境温度的增长无疑给人类社会带来高电力需求，经济生产率下降，甚至造成生态危害等问题。日间被动辐射制冷（PDRC）这种既无能耗又具有实际应用前景的冷却技术，有望在一定程度上减少地球所承载的二氧化碳排放量，从而降低地球对太阳的辐射热吸收，同时将热量向低温的太空释放，使地球温度得以稳定。　　近年来，人们设计了多种PDRC结构来制备辐射制冷材料，其中多孔结构因其对太阳光的散射效应，可用于构建高性能的PDRC材料，但作为涂层应用到织物上其规律仍认识不够。论文基于此，开展了超疏水PDRC多孔结构的构筑及其在织物上的应用研究。具体工作如下：　　（1）以聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、含氟基团改性纳米二氧化硅粒子（F-SiO2）为主要原料，采用相转化法构筑了超疏水日间被动辐射制冷多孔膜，实现了在不增加金属反射层的情况下独立成膜。其中，利用含氟硅烷偶联剂改性的纳米二氧化硅粒子（F-SiO2），可赋予薄膜超疏水性能，水接触角达152.1°。通过调控改性二氧化硅粒子的粒径分布、溶液浓度及薄膜厚度，探究了薄膜在不同工艺条件下的太阳光反射率、红外发射率和疏水性能。确定了以600~700nm粒径的F-SiO2粒子、3%的F-SiO2质量浓度及在300μm~400μm的薄膜厚度为PDRC薄膜较优的制备条件。　　（2）通过探究超疏水柔性PVDF-HFP/F-SiO2多孔复合膜PDRC冷却器的微观形态结构，发现纳米SiO2粒子沿聚合物多孔骨架分布，附着在PVDF-HFP圆孔骨架上的纳米粒子不仅避免了孔隙的堵塞和挤压，而且增加了多孔膜的表面粗糙度，使其在阳光下具有较高的散射性能。PVDF-HFP中化学键的振动、改性剂和形成的微纳米孔隙作用，使薄膜在太阳光谱中的太阳光反射率，红外大气窗中的发射率最高可达97.4%和98.7%。而且所得PVDF-HFP/F-SiO2多孔膜具有良好的柔韧性、自清洁性能及户外制冷效果，阳光直射下，可使物体表面温度比环境气温降低6~8℃。　　（3）基于PVDF-HFP/F-SiO2多孔膜制冷性能的实现，论文在此体系上添加改性氧化锌纳米粒子（F-ZnO），以尼龙为基材，采用浸涂的方式制备具有抗紫外性能的超疏水日间被动辐射制冷织物，并对其作为户外制冷织物产品的应用性能进行了探讨。微结构分析结果表明，织物表面成功粘附上一层复合多孔结构，且粒子与织物纤维形成相对均匀的微纳孔隙。PDRC性能分析结果显示，涂层织物具有良好的光谱性能，其太阳光反射率、红外发射率最高可达93.1%和98.8%。所得涂层织物应用于户外，可使环境温度降低8~12℃，且相较于原尼龙织物具有更为优秀的机械性能、自清洁功能和较优的户外耐候性。

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