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普渡大學(xué)李恬教授、劍橋大學(xué)Vignolini 教授 《Adv. Sci》：結(jié)構(gòu)著色的輻射制冷纖維素薄膜
2022-07-26  來源：高分子科技
  創(chuàng)新點：本文作者及合作者通過納米纖維素晶體和多孔乙基纖維素實現(xiàn)了具有鮮艷色彩的日間輻射制冷薄膜。該天然衍生的彩色薄膜在日間和夜間都能低于環(huán)境溫度，并且可以通過卷對卷工藝進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)來進(jìn)一步擴(kuò)大彩色輻射制冷的影響力。


  日間輻射制冷 (DRC) 材料通過利用熱傳遞到太空的方式，提供了一種有效且環(huán)保的制冷方法。近年來，此類材料快速發(fā)展，通過介電材料的選擇性紅外 (IR) 發(fā)射或聚合物材料的寬帶紅外發(fā)射。其中最先進(jìn)的設(shè)計可以將溫度降低到周圍環(huán)境的冰點以下，并無需任何能量輸入即可提供超過 100 W m?2 的制冷功率。為了最大限度地提高陽光反射率通常，DRC材料通常呈白色或類似鏡面，但這種單調(diào)的外觀無法更好的推廣輻射制冷技術(shù)在日常生活中的使用。使用傳統(tǒng)著色劑不可避免地會吸收太陽光，導(dǎo)致物體被加熱，從而抵消輻射制冷效應(yīng)？朔@一問題的主要策略集中在降低不必要的太陽吸收和增加大氣透明窗口 (λ = 8–13 μm) 的發(fā)射率。 但迄今為止的材料均有一種或多種限制，如無法實現(xiàn)低于環(huán)境溫度的制冷，制備工藝無法大規(guī)模生產(chǎn)，或者，顏色強(qiáng)度不夠顯著等。

圖1 結(jié)構(gòu)色輻射制冷纖維素膜的原理和展示


  針對這些問題，美國普度大學(xué)李恬教授和英國劍橋大學(xué)Vignolini 教授合作研發(fā)了由天然衍生的納米纖維素晶體 (CNC) 制備而成的結(jié)構(gòu)色薄膜，并展示了高效的日間輻射制冷（日間：-4°C，夜間：-11°C）。這些膠體納米粒子是從棉花和木漿等可再生資源中提取的。提取后，CNC分散在水中，然后自發(fā)地自組織成具有膽甾（即手性向列）順序的膠體液晶。蒸發(fā)后，這種左手膽甾型排序可以保持為固態(tài)。這種薄膜中的雙折射 CNC 納米棒呈螺旋狀排列，導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)的折射率發(fā)生周期性變化。該薄膜的周期性光子納米結(jié)構(gòu)可選擇性地反射可見光，具體顏色與螺旋結(jié)構(gòu)的周期性（稱為螺距）有關(guān)。以上特質(zhì)使該薄膜產(chǎn)生鮮艷的、可調(diào)的，以及抗褪色的結(jié)構(gòu)色彩并避免基于吸收的加熱問題（低太陽能吸收≈3%）。此外，該薄膜的中紅外大氣窗口內(nèi)的高發(fā)射率(>90%) 能顯著提高輻射散熱。當(dāng)此類 CNC 薄膜涂覆到高散射的多孔乙基纖維素 (EC) 基層上，任何穿透 CNC 層的陽光都會被下面的 EC 層反射，從而同時實現(xiàn)寬帶太陽反射和鮮艷的結(jié)構(gòu)色。最后，我們使用卷對卷 (R2R) 沉積工藝來生產(chǎn)具備結(jié)構(gòu)色的纖維素 DRC 薄膜。這種低成本和可持續(xù)的大規(guī)模生產(chǎn)驗證了這種有色輻射制冷材料的商業(yè)制造潛力。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Science上。


圖2 大規(guī)模卷對卷生產(chǎn)過程


  論文信息：

  Structurally Colored Radiative Cooling Cellulosic Films

  Wenkai Zhu, Benjamin Droguet, Qingchen Shen, Yun Zhang, Thomas Parton, Xiwei Shan, Richard M. Parker, Michael F. L. De Volder, Tao Deng, Silvia Vignolini* and Tian Li*

  Advanced Science

  DOI: 10.1002/advs.202202061

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202202061

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