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新的“被動輻射冷卻”材料

2019-02-26

近日,研究人員正在利用一種新的被動輻射冷卻材料重新詮釋這種古老的策略,以達到減少陽光和熱量的目的。大多數的此類技術都無法利用現有的屋頂和墻壁,但是美國的一個研究團隊現在已經制造出一種可以覆蓋任何表面的冷卻涂料,使溫度降低約攝氏度。新涂料可以直接涂覆在任意質地物體的表面,還可與不同顏料結合呈現不同色彩。

 

 

    這一進展凸顯了該領域的巨大進步,科羅拉多大學博爾德分校材料科學家Xiaobo Yin 說。他的團隊開發了一種被動的輻射冷卻塑料薄膜,并成立了一家名為Radi-Cool 的初創公司,旨在將其商業化。Yin 說,這些新材料在某些氣候條件下可能會使冷卻成本降低15%這是一個很大的數字。他說。在美國,有17% 的住宅用電用于空調,因此節省的開支可能是巨大的。

 

    白色涂料通常只反射大約80% 的可見光,而且它們仍然吸收紫外線和近紅外射線,這些射線能夠使建筑物變熱。為了做得更好,新材料首先要結合能夠反射幾乎所有太陽光線的材料或結構,包括近紅外射線,在某些情況下,甚至包括紫外線。此外,它們還需含有聚合物或其他物質,以便利用它們的化學成分,將額外的熱量以13 微米的波長散發掉。大氣不會阻擋這些波長的輻射,從而可以讓材料在不加熱周圍空氣的情況下將多余的熱量有效地釋放到空間中。

 

    2014 年,由加州帕洛阿爾托斯坦福大學的電氣工程師Shanhui Fan 領導的研究團隊在《自然》雜志上報告說,通過一種含有二氧化硅和二氧化鉿的交替層,他們制造出一個高度反射的表面,能夠比周圍的空氣溫度低攝氏度。去年,Fan及其同事使用另一種材料——一種聚合物和銀膜結合物——冷卻用于空調的水。該團隊表示,在夏季,這種技術有可能節省21% 的空調使用成本。自那以后,Fan 的團隊成立了自己的初創公司SkyCool Systems

 

    Yin 和他的同事Ronggui Yang 去年又有了新的進展:一種里面嵌入了微小玻璃珠的塑料薄膜,能夠使表面溫度降低10攝氏度。而在澳大利亞,應用物理學家Angus Gentle和悉尼科技大學的Geoff Smith 2015 年報告說,一種由兩種聚合物制成的涼爽的屋頂材料,在正午和夜間分別能夠使屋頂比周圍的空氣溫度低攝氏度和攝氏度。

 

    然而將這些涂層應用于屋頂和壁板材料仍然有一個問題。高度反光的化合物可以被整合到傳統的木瓦和黏土瓦中,用于新的建筑物或翻新。但是對于現有的建筑物來說,要有更多的選擇是比較困難的。而這就是新的被動冷卻涂料的用武之地。

 

    哥倫比亞大學應用物理與應用數學系Yuan Yang Nanfang Yu 團隊在新一期美國《科學》雜志上發表論文說,他們開發的新材料是一種多尺度微納孔結構的聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物,用這種材料制成的薄膜在太陽光波段具有96% 99.6% 的高反射率,在紅外輻射窗口具有97% 的高輻射率,在白天無需電能即可實現制冷。測試結果顯示,在光照充足的干燥環境中,薄膜表面溫度可比環境溫度低約5.9 攝氏度;在潮濕環境中,薄膜溫度可比環境溫度低約2.9攝氏度。

 

    據介紹,這種多孔薄膜中,聚偏二氟乙烯與空氣折射率相差很大,可有效散射陽光,包括紫外光、可見光和近紅外光,從而實現高反射率,不會被陽光加熱微米多孔結構提高了材料的輻射率,增加了向外的熱輻射。

 

    據了解,此前類似功能材料的制備多需要復雜的真空沉積設備,且難以直接覆蓋在任意形狀和質地的物體表面。新材料則具有成本較低、適用性強等優點,可直接涂覆在塑料、金屬和木材等任意表面。Yang 表示,建筑物表面往往對顏色有所要求,這種材料可以和顏料結合在一起,呈現不同色彩的同時將陽光中的近紅外光反射掉,和傳統涂料相比,可顯著降低建筑物的溫度。它看起來很適合被廣泛應用。”Gentle 說。加州勞倫斯·伯克利國家實驗室的一位屋頂冷卻專家RonnenLevinson 說,新涂料的價格大約是傳統涂料的倍。但增加的成本帶來了好處。Gentle 說:所有這些非常酷的涂層使得中午就像夜間一樣涼爽。