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南工大材料學(xué)院《Compos. Part A》:具有機(jī)械穩(wěn)健性能的超疏水型多層被動(dòng)降溫復(fù)合材料
2023-12-07  來源:高分子科技

  制冷降溫設(shè)備的大規(guī)模使用所產(chǎn)生的能源消耗已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)能源過度消耗的重要來源,其產(chǎn)生的溫室氣體無疑會(huì)加劇全球的溫室效應(yīng)及城市熱島效應(yīng)并嚴(yán)重危害環(huán)境的生態(tài)平衡。研究被動(dòng)降溫材料對(duì)于響應(yīng)節(jié)能減排的理念有著重要意義。環(huán)境友好型被動(dòng)降溫材料借助其優(yōu)異的太陽(yáng)光反射及紅外熱輻射的方式在零耗能的情況下減少外界熱量進(jìn)入人們的生活環(huán)境可有效的降低建筑領(lǐng)域的能源消耗,結(jié)合被動(dòng)降溫性質(zhì)及屋頂卷材制備新型聚合物被動(dòng)降溫復(fù)合材料有著重要的研究?jī)r(jià)值。被動(dòng)降溫材料多用于戶外屋頂?shù)冉ㄖ牧项I(lǐng)域,空氣中灰塵及雨水的黏附會(huì)使得污染物沉積在材料表面影響外觀及降溫性能。戶外突變的環(huán)境易使試樣表面受到破壞繼而影響自清潔效果,設(shè)計(jì)制備具有機(jī)械耐久性的超疏水表面對(duì)于被動(dòng)降溫材料在屋頂建筑的實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義。



  針對(duì)這一問題,南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫顥瑄博士為第一作者在復(fù)合材料期刊《Composites Part AApplied Science and Manufacturing》發(fā)表題為“Scalable-manufactured and mechanical-robust superhydrophobic hierarchical material toward self-cleaning passive cooling”的論文,該工作采用多層結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)制備具有機(jī)械耐久性的超疏水被動(dòng)降溫材料,可滿足極端條件下戶外使用性能的保證。 


1 超疏水型被動(dòng)降溫多層復(fù)合材料作用及組成示意圖


  以新一代建筑彈性體卷材PP/SEBS為基體,SEBS-g-MAH為連接劑于其表面制備了機(jī)械穩(wěn)定性能的同時(shí)具有超疏水功能的環(huán)氧樹脂表層。借助環(huán)氧樹脂層優(yōu)異的耐刮擦性能,探究了合適的環(huán)氧樹脂固化條件,并巧妙地將表面包覆有六甲基二硅氮烷的二氧化硅嵌入至樹脂基體,實(shí)現(xiàn)具有機(jī)械穩(wěn)健性能的超疏水功能表面。 


2 試樣的超疏水性能及表面形貌圖:(a)試樣超疏水性能及具體成分示意簡(jiǎn)圖,(b)水接觸角數(shù)據(jù)圖,(c)試樣表層(環(huán)氧-SiO2層)實(shí)現(xiàn)疏水效果的機(jī)理示意圖,(d)試樣表面形貌圖和(e)樣品形貌示意簡(jiǎn)圖及對(duì)應(yīng)接觸角


  該試樣表面可實(shí)現(xiàn)接觸角大小為160o的超疏水性能,并在砂紙刮擦循環(huán)測(cè)試60次后仍然基本保持不變,表現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性能,有利于實(shí)現(xiàn)戶外極端環(huán)境下的應(yīng)用性能。歸因于固化后的環(huán)氧樹脂將疏水型納米顆粒嵌入其中,刮擦后仍然保持有較低的表面張力。 


3 試樣機(jī)械穩(wěn)定性測(cè)試:(a)機(jī)械耐久性測(cè)試示意圖、(bM/S-g-M(MT)/EP(SiO2)試樣經(jīng)60個(gè)機(jī)械耐久性能循環(huán)測(cè)試前后表面形貌圖c)循環(huán)測(cè)試過程中M/S-g-M(MT)/EP(SiO2)試樣接觸角形態(tài)及數(shù)據(jù)圖、(d-e)液滴沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試


  因SEBS-g-MAH氫氧化鎂(MT填料之間的折光指數(shù)存在差異,根據(jù)Fresnel定律可知當(dāng)光束照射到試樣時(shí)會(huì)發(fā)生光束的散射進(jìn)而使得試樣表現(xiàn)出相應(yīng)的反射效果。太陽(yáng)光在反射層中光束傳播路徑見圖4,光束在粒子及SEBS涂層界面處發(fā)生散射及基材吸收行為。可以看出PP/SEBS基材在整個(gè)太陽(yáng)光波段的反射率較低,并且對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的反射率基本一致,因而表現(xiàn)出較為平直的曲線。在基材上方加入SEBS-g-MAHMT)涂層后在可見光及近紅外光波長(zhǎng)范圍的反射率大幅度上升,由于SiO2粒子中Si-O及環(huán)氧基團(tuán)在近紅外部分的吸收作用所影響,其總的太陽(yáng)光反射率仍保持在了較高數(shù)值,具有較好的反射降溫效果。 


4 基材、M/S-g-M(MT)M/S-g-M(MT)/EP(SiO2)試樣太陽(yáng)光反射及輻射性質(zhì)分析:(a)試樣光學(xué)性能作用示意簡(jiǎn)圖,(b)試樣組成及宏觀光路傳播圖示,(c)太陽(yáng)光進(jìn)入介質(zhì)n1n2中散射及透過作用機(jī)理示意圖,(dAM1.5光譜和試樣的紫外光-可見光-近紅外光反射譜圖及(e)大氣透過窗口及試樣在2.5-25 μm范圍內(nèi)的輻射率數(shù)據(jù)圖


  原文信息與鏈接:Haoxuan Sun, Fan Yang, Shuangjun Chen, Jun Zhang. Scalable-manufactured and mechanical-robust superhydrophobic hierarchical material toward self-cleaning passive cooling[J].Composites Part A2023, 175:107750.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107750

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