寒暑無憂！一種仿荷葉結(jié)構(gòu)的超疏水冬暖夏涼調(diào)溫涂層
發(fā)布時間：2024-06-16 10:29:31點(diǎn)擊數(shù)：20
被動輻射降溫涂層材料是一種零能耗、零排放的新興節(jié)能技術(shù)，在提高建筑能效方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。能夠通過反射太陽光和輻射熱紅外有效降低物體表面的溫度，從而降低制冷能耗，因此在減少全球能源消耗方面前景廣闊。然而，輻射降溫涂層材料在應(yīng)用過程中其表面易被環(huán)境灰塵、微生物、雨水等污染導(dǎo)致功能削弱，從而降低材料使用壽命。另一方面，現(xiàn)有的涂層材料在低溫環(huán)境下會持續(xù)輻射降溫導(dǎo)致過度制冷，反而增加冬季供暖能耗。此外，如何實(shí)現(xiàn)該材料的大面積量產(chǎn)以推動其邁向?qū)嶋H應(yīng)用，仍然需要攻堅(jiān)克難。
受荷葉的縱向梯度特征和表面微納結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，陜西科技大學(xué)薛朝華教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)王鉆開教授和華中科技大學(xué)陶光明教授團(tuán)隊(duì)合作研究，通過一步相分離工藝，制備出了一種集超疏水表面自清潔、太陽光反射率自動可調(diào)和熱紅外發(fā)射有效利用于一體的多功能調(diào)溫涂層，實(shí)現(xiàn)了高溫環(huán)境下的輻射降溫和低溫環(huán)境下的太陽能加熱從而達(dá)到“冬暖夏涼”智能調(diào)溫。這項(xiàng)研究成果以“Bioinspired Superhydrophobic All-in-one Coating for Adaptive Thermoregulation”為題發(fā)表在《Advanced Materials》（IF：29.4）上。在自然界中，植物葉片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)賦予了它們卓越的光吸收和潤濕性。例如，植物葉片的梯度結(jié)構(gòu)，由上表皮、柵欄組織、海綿層和下表皮組成，其中葉綠體在柵欄和海綿組織內(nèi)的不對稱分布優(yōu)化了光合效率，使得葉片一面呈現(xiàn)出深色而另一面則相對淺色。而葉片表皮的潤濕特性，如荷葉表皮細(xì)胞，含有一層低表面能的蠟質(zhì)和微納米乳突結(jié)構(gòu)，賦予了其超疏水性。這種協(xié)同一體的自然現(xiàn)象啟發(fā)了科學(xué)家們探索新的材料和技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)從荷葉的特殊結(jié)構(gòu)汲取靈感，開發(fā)了一種能夠根據(jù)外界溫度變化自動調(diào)節(jié)自身光學(xué)性質(zhì)的涂層。該涂層由幾種不同的材料復(fù)合而成，包括具有溫度響應(yīng)特性的熱致變色微膠囊（TCMCs）、疏水性SiO2和聚偏氟乙烯共六氟丙烯[P(VDF-HFP)]。涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的非常巧妙，上表面具有微納多孔結(jié)構(gòu)，由低表面能聚合物P(VDF-HFP)組成，散布著SiO2納米團(tuán)簇。這種結(jié)構(gòu)協(xié)同賦予了超疏水表面所需的“低表面能+微納米粗糙結(jié)構(gòu)”特征，類似于荷葉的上表皮，從而確保了其光學(xué)特性的維持。在這些微納粗糙結(jié)構(gòu)下面，嵌入了TCMCs，這些微膠囊會根據(jù)溫度的變化改變其顏色實(shí)現(xiàn)對太陽光反射和吸收的切換。而涂層的底部則是由許多微納小孔洞組成的多孔結(jié)構(gòu)，這些孔洞有助于提高涂層對太陽光的反射性能。這種多功能協(xié)同一體化涂層的獨(dú)特之處在于，它能夠根據(jù)季節(jié)和溫度的變化自動調(diào)節(jié)。在夏季高溫時，涂層中的TCMCs會變成白色狀態(tài)，與底部微結(jié)構(gòu)協(xié)同反射大部分陽光能量，幫助降低物體表面的溫度，其太陽光反射率高達(dá)92.3%，熱紅外發(fā)射率高達(dá)95.8%。相反，在冬季低溫時，TCMCs轉(zhuǎn)變?yōu)椴噬?，幫助涂層吸收熱量，從而?shí)現(xiàn)太陽光加熱。此外，在其中還加入了光學(xué)改性劑對涂層進(jìn)行防曬保護(hù)，與其表面的超疏水性自清潔作用共同保障了涂層功能的持久穩(wěn)定性。同時這種超疏水智能一體化涂層還可以作為一種熱防護(hù)材料保護(hù)通訊設(shè)備和汽車等免受極高或極低的溫度影響。能耗模擬結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的涂層與普通建筑相比制冷能耗平均節(jié)能53%，與傳統(tǒng)的輻射降溫材料相比年能耗最大節(jié)能18.7%。這項(xiàng)研究為智能調(diào)節(jié)輻射降溫技術(shù)的大規(guī)模制造提供了新方法，有望推動輻射降溫材料研究邁向戶外實(shí)際應(yīng)用，對于推動全球碳中和與可持續(xù)發(fā)展提供了一種全新的解決方案，以應(yīng)對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)。圖1 仿生超疏水冬暖夏涼調(diào)溫涂層的設(shè)計(jì)、形貌表征和光學(xué)性能圖2 仿生超疏水冬暖夏涼調(diào)溫涂層的大面積制備及建筑節(jié)能模擬陜西科技大學(xué)博士后柳冰瑩和華中科技大學(xué)博士研究生吳嘉威為文章共同一作，陜西科技大學(xué)薛朝華教授、香港理工大學(xué)王鉆開教授和華中科技大學(xué)陶光明教授為文章共同通訊作者。感謝國家自然科學(xué)基金（52103263, 62175082）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFB3805800）、華中科技大學(xué)多學(xué)科研究支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2023JCYJ039）、武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（2023083）、華中科技大學(xué)人文社會科學(xué)雙一流基金（華中科技大學(xué)體育產(chǎn)業(yè)研究中心）、陜西省國際科技合作重點(diǎn)項(xiàng)目（2023-GHZD-09）、陜西省教育廳科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（22JY011）、陜西省科研發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目（2023gxhl-070）、陜西省秦創(chuàng)原“科學(xué)家+工程師”團(tuán)隊(duì)（2023KXJ-069）、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020ZDLGY13-11）、陜西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2024RS-CXTD-46）對本工作的大力支持！來源：高分子科學(xué)前沿、NTMT紡織新材料
關(guān)鍵詞：荷葉|大朗紡織網(wǎng)|中紡圈|功能紗線|和紙|圈圈|纖絨紗
