被動日間輻射冷卻（PDRC）是一種很有前途的節(jié)能冷卻方法，可以在不消耗能源的情況下冷卻物體。盡管已經(jīng)提出了許多 PDRC 材料和結構來實現(xiàn)物體低于環(huán)境溫度，但該技術大部分都面臨著復雜的加工技術和昂貴的制造成本。近日，美國東北大學鄭義教授課題組博士生劉楊，受中國傳統(tǒng)油紙傘的啟發(fā)，開發(fā)了一種由回收的聚苯乙烯泡沫和天然桐油制成的自清潔和自冷卻桐油-泡沫復合材料 (OFC)，以同時實現(xiàn)高效的被動輻射冷卻和物體的增強散熱。OFCs具備高太陽反射率 (0.90, 0.3 - 2.5 μm) 和高中紅外熱發(fā)射率 (0.89, 8 - 13 μm)，它在太陽直射下平均產生5.4 °C的溫降和86 W/ m2的冷卻功率。此外，全球回收包裝塑料市場可以提供廉價的原材料，同時進一步降低廢舊塑料的環(huán)境污染。OFC 為建筑冷卻應用提供了一種節(jié)能、經(jīng)濟且環(huán)保的候選材料，并為塑料回收提供了一條增值途徑。該論文發(fā)表于 Journal of Materials Chemistry A。
EPS泡沫板由聚苯乙烯通過聚合過程衍生的小聚苯乙烯珠組成（圖2a和2b）。OFCs是通過機械粉碎后的泡沫顆粒均勻地涂抹桐油而制成，并具備自清潔和自冷卻的表面（圖1b和圖2d）。由于桐油的存在，OFC樣品在陽光下呈類似桐油的淡黃色，其豐富了PRDC材料的色彩。不規(guī)則形狀的PS顆粒構成了OFC（圖2e）的主要成分，并被桐油結合在一起。隨機排列的PS顆粒可以有效地反射太陽光，并通過大氣透明窗口向寒冷的外太空發(fā)射熱輻射(圖1a)。桐油不僅整合了由不規(guī)則形狀PS顆粒構成的微/納米結構，而且還顯著改善了PS泡沫的疏水性，使其接觸角從95°增強到130°（圖2c, f）。桐油的防水特性在自潔表面的形成中起著重要作用，有助于戶外應用。
與EPS泡沫板相比，OFC的Rsolar從0.88增強到0.90（圖3a）。與均勻分布的大尺寸聚苯乙烯珠(平均尺寸為2000 μm)相比（圖2c），不規(guī)則形狀的PS顆粒形成具有微/納米孔的粗糙表面，可以增強OFC對太陽光的散射（圖2e）。同時，桐油由α-油酸、亞油酸、棕櫚酸和油酸組成，具有自身固有的光學特性，有助于PDRC的應用。傅里葉變換紅外(FTIR)透射光譜表明，涂有桐油的OFC (PS泡沫顆粒)在1050 - 1250 cm-1處表現(xiàn)出強烈的發(fā)射帶，其歸功于上述四種酸成分中C-O化學鍵的拉伸作用。因此，與EPS泡沫板相比，桐油的存在可以大大提高其在大氣透明窗內的紅外發(fā)射率，從0.65提高到0.89。PS泡沫顆粒作為OFC的骨架，泡沫顆粒之間的桐油作為粘合劑將這些顆粒相互連接，進一步增強機械強度。在輻射冷卻材料的散熱方面上，除了考慮PDRC結構的光學響應外，還應考慮其熱導率。OFC的導熱系數(shù)為0.092 W/m K，比原始EPS泡沫板的導熱系數(shù)(0.027 W/m K)提高了240%。OFC熱導率的提高是由于機械粉碎過程產生了不規(guī)則形狀的PS泡沫顆粒，進一步增加了彼此之間的接觸面積。此外，由于桐油的熱導率(約0.167 W/m K)遠高于空氣(約0.024 W/m K)，嵌入的桐油將空氣擠出OFC，進一步增強了OFC內部的熱傳輸，較高的導熱系數(shù)會加速底層空間在實際情況下的散熱。
為了驗證復合材料OFC的室外實際冷卻效果，他們測量了OFC的溫降和冷卻功率（圖4）。在平均太陽輻射834 W/m2下，其能達到低于大氣溫度5.4°C的制冷效果，冷卻功率為86 W /m2，因此具有良好的被動輻射冷卻性能。同時OFCs具備良好的機械性能以及防污防水特性（圖5），對OFCs在實際應用中起到重要作用。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3TA00823A
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