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華東理工趙玲教授團隊 Adv. Sci.:適用于創新建筑冷卻的超高膨脹倍率發泡材料
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,空間制冷產生的二氧化碳排放量已達10億噸。當前建筑熱舒適的主動制冷系統(如空調)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。被動日間輻射制冷(PDRC)策略為傳統空間制冷技術提供了理想替代方案。該技術通過大氣長波紅外(LWIR)透明窗口(8-13μm)將熱量散失到寒冷外太空,實現建筑降溫而無需消耗能源或排放溫室氣體。然而傳統輻射制冷材料在結構設計中常忽略隔熱性能,夏季顯著的室內外溫差會大幅增加對流和傳導造成的非輻射熱流傳遞,嚴重影響制冷效果并導致能耗上升。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,又能提供額外制冷效果,為高效建筑隔熱制冷結構設計提供了前瞻性解決方案。


  高標準建筑設計要求輻射制冷材料同時具備高太陽反射率、高紅外發射率和低熱導率。這些特性確保材料在將太陽能反射回外太空的同時,最大限度減少建筑與外界環境的熱交換。被動輻射制冷策略在自然界中廣泛存在,如植物葉片、動物皮毛和昆蟲甲殼的生物機制。受中美洲忒修斯蝶翅膀和中國竹蓀菌柄表面微觀結構高效反射陽光的啟發,設計具有多孔結構的輻射制冷材料可增強太陽光譜范圍內的光散射效應,是建筑應用的可行方案。



  鑒于此,華東理工大學趙玲教授團隊近期Wiley旗下《Advanced Science》期刊上發表了題為《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系憑借其豐富的紅外吸收化學鍵以及固有的高紅外發射率,使其成為輻射制冷器的理想基材。通過在聚合物表面構建多孔結構,可以進一步提升對太陽輻射的反射率,同時在材料內部形成的多孔構造,能夠有效抑制熱流的傳遞。這種表里結構的協同作用,充分滿足了低碳節能且可持續發展的建筑應用需求。


PMMA/PVDF與二氧化碳的相互作用


傳導-微波協同加熱輔助PMMA/PVDF發泡的宏觀和微觀結構調控


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


PMMA/PVDF發泡材料的日間被動輻射冷卻性能


全球重點城市制冷節能和碳減排情況


  PMMA/PVDF 發泡材料具備疏水性、耐化學腐蝕性,且可回收利用。其獨特的負泊松比結構使其具備卓越的抗壓強度、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得十分出色。材料的固有特性和泡孔結構使其擁有低導熱系數(26.69 mW/(m·K))、高太陽反射率(96.37%)以及高紅外發射率(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達成降溫效果,測試結果表明使用前后的溫差可達15℃,足以滿足世界上大部分國家建筑物的降溫需求。超高膨脹倍率PMMA/PVDF發泡材料在節能、減少碳足跡和推動可持續發展方面有著巨大的潛力,有望為下一代建筑的發展提供有力的解決方案。


  針對微波輔助聚合物發泡領域,該團隊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聚合物板材發泡材料和聚合物珠粒發泡材料成型體的高效可控提出見解,相關成果已發表在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化工學院博士研究生鐘文宇陳弋翀特聘副研究員,通訊作者為華東理工大學趙玲教授


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

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(責任編輯:xu)
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