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華東理工趙玲教授團(tuán)隊(duì) Adv. Sci.:適用于創(chuàng)新建筑冷卻的超高膨脹倍率發(fā)泡材料
2025-03-25  來源:高分子科技

  全球氣候變暖顯著增加了空間制冷需求。過去30年間,空間制冷產(chǎn)生的二氧化碳排放量已達(dá)10億噸。當(dāng)前建筑熱舒適的主動(dòng)制冷系統(tǒng)(如空調(diào))占全球溫室氣體排放總量的 10% 以上?臻g制冷的碳足跡正在加劇全球變暖,形成惡性循環(huán)。被動(dòng)日間輻射制冷(PDRC)策略為傳統(tǒng)空間制冷技術(shù)提供了理想替代方案。該技術(shù)通過大氣長(zhǎng)波紅外(LWIR)透明窗口(8-13μm)將熱量散失到寒冷外太空,實(shí)現(xiàn)建筑降溫而無需消耗能源或排放溫室氣體。然而傳統(tǒng)輻射制冷材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常忽略隔熱性能,夏季顯著的室內(nèi)外溫差會(huì)大幅增加對(duì)流和傳導(dǎo)造成的非輻射熱流傳遞,嚴(yán)重影響制冷效果并導(dǎo)致能耗上升。將隔熱性能集成到輻射制冷器中,既能阻止室外熱量傳入室內(nèi),又能提供額外制冷效果,為高效建筑隔熱制冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了前瞻性解決方案。


  高標(biāo)準(zhǔn)建筑設(shè)計(jì)要求輻射制冷材料同時(shí)具備高太陽反射率、高紅外發(fā)射率和低熱導(dǎo)率。這些特性確保材料在將太陽能反射回外太空的同時(shí),最大限度減少建筑與外界環(huán)境的熱交換。被動(dòng)輻射制冷策略在自然界中廣泛存在,如植物葉片、動(dòng)物皮毛和昆蟲甲殼的生物機(jī)制。受中美洲忒修斯蝶翅膀和中國(guó)竹蓀菌柄表面微觀結(jié)構(gòu)高效反射陽光的啟發(fā),設(shè)計(jì)具有多孔結(jié)構(gòu)的輻射制冷材料可增強(qiáng)太陽光譜范圍內(nèi)的光散射效應(yīng),是建筑應(yīng)用的可行方案。



  鑒于此,華東理工大學(xué)趙玲教授團(tuán)隊(duì)近期Wiley旗下《Advanced Science》期刊上發(fā)表了題為《Unprecedented Ultra-high Expansion Ratio Foam for Innovative Architecture》的研究論文。該研究巧妙地利用了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚偏二氟乙烯(PVDF)兩種聚合物之間的作用關(guān)系憑借其豐富的紅外吸收化學(xué)鍵以及固有的高紅外發(fā)射率,使其成為輻射制冷器的理想基材。通過在聚合物表面構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu),可以進(jìn)一步提升對(duì)太陽輻射的反射率,同時(shí)在材料內(nèi)部形成的多孔構(gòu)造,能夠有效抑制熱流的傳遞。這種表里結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用,充分滿足了低碳節(jié)能且可持續(xù)發(fā)展的建筑應(yīng)用需求。


PMMA/PVDF與二氧化碳的相互作用


傳導(dǎo)-微波協(xié)同加熱輔助PMMA/PVDF發(fā)泡的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控


  研究團(tuán)隊(duì)通過多重手段對(duì)PMMA/PVDF共混體系與二氧化碳的相互作用進(jìn)行分析,基于CO2塑化作用下CO2在共混體系中的溶解、聚合物結(jié)晶的結(jié)晶度及晶體尺寸以及塑化作用對(duì)于基體熱行為的協(xié)同影響,通過工藝參數(shù)的耦合變化,對(duì)發(fā)泡過程中泡孔成核與生長(zhǎng)給予指導(dǎo)該研究利用傳導(dǎo)-微波協(xié)同加熱輔助CO2發(fā)泡工藝優(yōu)化了泡孔尺寸與膨脹倍率,制備了穩(wěn)定膨脹倍率超過120倍且泡孔尺寸均勻的PMMA/PVDF發(fā)泡材料。


PMMA/PVDF發(fā)泡材料的日間被動(dòng)輻射冷卻性能


全球重點(diǎn)城市制冷節(jié)能和碳減排情況


  PMMA/PVDF 發(fā)泡材料具備疏水性、耐化學(xué)腐蝕性,且可回收利用。其獨(dú)特的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)使其具備卓越的抗壓強(qiáng)度、彈性和柔韌性,無論是日常使用還是在極端天氣條件下都表現(xiàn)得十分出色。材料的固有特性和泡孔結(jié)構(gòu)使其擁有低導(dǎo)熱系數(shù)(26.69 mW/(m·K))、高太陽反射率(96.37%)以及高紅外發(fā)射率(97.34%)。這意味著在炎熱天氣下,使用該材料能夠使建筑物室內(nèi)達(dá)成降溫效果,測(cè)試結(jié)果表明使用前后的溫差可達(dá)15℃,足以滿足世界上大部分國(guó)家建筑物的降溫需求。超高膨脹倍率PMMA/PVDF發(fā)泡材料在節(jié)能、減少碳足跡和推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展方面有著巨大的潛力,有望為下一代建筑的發(fā)展提供有力的解決方案。


  針對(duì)微波輔助聚合物發(fā)泡領(lǐng)域,該團(tuán)隊(duì)前期已做了廣泛探索,基于微波的均勻加熱和選擇性加熱對(duì)聚合物板材發(fā)泡材料和聚合物珠粒發(fā)泡材料成型體的高效可控提出見解,相關(guān)成果已發(fā)表在Chem. Eng. J., 2024,481, 148402; Compos. Commun., 2024, 48, 101925; Chem. Eng. Sci., 2023,281, 119110Polym. Rev., 2024, 64(4), 1136-1175等期刊。本論文第一作者是華東理工大學(xué)化工學(xué)院博士研究生鐘文宇陳弋翀?zhí)仄父毖芯繂T,通訊作者為華東理工大學(xué)趙玲教授。


  原文鏈接:https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202501188

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