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鄭大申長(zhǎng)雨院士/劉春太教授團(tuán)隊(duì)與合作者 Nat. Commun.:節(jié)能聚乙烯復(fù)合透明薄膜
2024-04-14  來(lái)源:高分子科技

  窗戶是建筑、車輛等人們?nèi)粘V胁晒庑枨蟮闹匾ǖ,不僅向室內(nèi)提供可見光、熱輻射,也是影響能源負(fù)荷的關(guān)鍵因素。中國(guó)的建筑耗能占全國(guó)能耗的30%左右,其中窗戶是最不節(jié)能的部件之一,其能源損失率可高達(dá)60%。


  太陽(yáng)能是人類能源的萬(wàn)源之源。太陽(yáng)光透過(guò)大氣到達(dá)地球的波長(zhǎng)范圍大多集中在0.28-2.5 μm,包括紫外光(0.28-0.38 μm)、可見光(0.38-0.76 μm)和紅外光(0.76-2.5 μm)。每到夏天,太陽(yáng)光透過(guò)窗戶射到室內(nèi)或車內(nèi)等容易使其內(nèi)部的溫度升高。夏天汽車在陽(yáng)光照射下,內(nèi)部溫度可達(dá)80 oC以上,不僅影響駕駛?cè)藛T的乘車環(huán)境,還會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)設(shè)施老化,同時(shí),增加空調(diào)能耗等。


1. 原理圖


  針對(duì)以上問題,鄭州大學(xué)申長(zhǎng)雨院士、劉春太教授團(tuán)隊(duì)的劉憲虎教授提出通過(guò)在高分子材料中引入具有光譜調(diào)控功能的材料作為填料,來(lái)制備具有調(diào)控太陽(yáng)光波段以及保持可見光透射率的高分子基復(fù)合透明膜,可望應(yīng)用于汽車、建筑等窗戶的節(jié)能以及光學(xué)設(shè)備和透明傳感器等領(lǐng)域,同時(shí)實(shí)現(xiàn)膜的低成本化。


  劉憲虎課題組與中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員以及華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心胡彬教授合作制備了一種高透明度、低霧度的超高分子量聚乙烯UHMWPE復(fù)合透明薄膜,用于光熱轉(zhuǎn)換、紫外防護(hù)和節(jié)能。


  通過(guò)溶液共混和熱壓制備了含有不同MXeneBZT含量的UHMWPE薄膜,以確保MXeneBZT的完全結(jié)合。MXeneBZT結(jié)合形成的二維片層結(jié)構(gòu)改善了復(fù)合薄膜的力學(xué)強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。MXene作為一種具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換效率的材料,在太陽(yáng)光波段中有較好的吸收性能。同時(shí),MXene氧化產(chǎn)生的TiO2帶隙在3.2 ~ 4.0 eV之間,能夠很好地匹配光子能量,產(chǎn)生有效的紫外屏蔽。BZT分子的三唑官能團(tuán)和受阻酚官能團(tuán)在306347 nm處對(duì)紫外光有較強(qiáng)的屏蔽作用。這些結(jié)果表明,MXeneBZT填充的UHMWPE復(fù)合薄膜在抗紫外透明器件領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。


  作者測(cè)試了室外環(huán)境中(6a、b)復(fù)合薄膜覆蓋(4 × 4 cm2(部分覆蓋)8 × 8 cm2(全覆蓋))和無(wú)薄膜覆蓋(空白)時(shí)器件內(nèi)部的溫度、濕度和照度(6c)。當(dāng)復(fù)合薄膜完全覆蓋玻璃時(shí),容器內(nèi)的溫度降低了6-7 °C(圖6d),而且降幅隨著光照強(qiáng)度的增加而增加。建筑模擬結(jié)果顯示該薄膜每年可減少31 ~ 61 MJ m-2的制冷能量,對(duì)應(yīng)總能量的3% ~ 12%。這一工作有望引領(lǐng)高分子加工領(lǐng)域在熱管理等方面的廣泛應(yīng)用。 


2. 復(fù)合膜與裸玻璃的冷卻性能對(duì)比


  鄭州大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程研究中心劉憲虎教授21級(jí)碩士生張文睿該論文的第一作者,通訊作者為鄭州大學(xué)劉春太教授、潘亞敏副教授、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員以及華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心胡彬教授。該研究得到了河南省杰出青年科學(xué)基金(242300421010)的資金支持。


  原文鏈接: X. Liu#, W. Zhang#, X. Zhang, Z. Zhou, C. Wang, Y. Pan*, B. Hu*, C. Liu*, C. Pan*, C. Shen, Transparent ultrahigh-molecular-weight polyethylene/MXene films with efficient UV-absorption for thermal management, Nature Communications, 2024, 15, 3076. 

  https://doi.org/10.1038/s41467-024-47432-z

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