涂料在其發(fā)展初期，主要是涂布于物體表面，起保護(hù)、裝飾或掩飾部分缺陷的作用。隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，能源、環(huán)境與材料成為具有時代特征的三大課題，最基本的防護(hù)和裝飾功能已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，涂料的研究逐漸功能化方向發(fā)展，熱反射涂料、自清潔涂料、保溫涂料、防腐涂料、空氣凈化涂料等新的涂料產(chǎn)品和技術(shù)不斷涌現(xiàn)。
為何稱之為“黑科技”？我們知道太陽一直在源源不斷地向地球上的物體提供能量，陽光照射下的物體不斷吸收太陽熱，引起自身溫度的升高。而這種添加了核心功能填料的制冷涂料卻恰恰相反，在陽光的直射下，它表面的溫度不升反降，甚至比氣溫還要低，就如同安裝了一個小功率空調(diào)，“制冷涂料”因此得名。聽起來似乎有些違反常規(guī)，它的工作原理到底是怎樣的呢？
最近的理論和實驗證明，亞環(huán)境日間輻射冷卻（SDRC）是實現(xiàn)被動式日間冷卻（PDRC，Science,?2018, DOI: 10.1126/science.aat9513）方面的突破。其中，PDRC是一種通過反射太陽光[波長（λ）~0.3-2.5 μm]并通過大氣的長波紅外（LWIR）透射窗（λ~8-13 μm），將熱量輻射到冷的外部空間，表面自發(fā)冷卻的現(xiàn)象。實際上，這種輻射效應(yīng)是使人們在夏季夜晚呆在外面時感到寒冷的原因。然而，要想在陽光直接照射下產(chǎn)生同樣的效果，這種材料必須克服陽光直接照射產(chǎn)生的熱量。研究者利用各種方法來反射大部分陽光，以使太陽的熱吸收低于輻射冷卻的水平。但是，目前這些SDRC涂層的設(shè)計和制造都依賴于使用復(fù)雜的光子微結(jié)構(gòu)、貴金屬鏡或危險的化學(xué)工藝等，極大地限制了其在大型建筑制冷領(lǐng)域的實際應(yīng)用。
現(xiàn)有設(shè)備由于夜間熱量輸入較少，其夜間降溫能力比白天強(qiáng)得多，可能會導(dǎo)致晝夜溫差增大，從而危及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的使用壽命。此外，是否可以對商業(yè)化建筑涂料進(jìn)行工程設(shè)計，實現(xiàn)增強(qiáng)的日間亞環(huán)境冷卻而抑制夜間冷卻，即智能型亞環(huán)境輻射冷卻（SSRC）。但是，傳統(tǒng)的TiO2基屋頂涂料的太陽反射率為85％，無法滿足SDRC的嚴(yán)格要求。因此，開發(fā)新的物理概念來設(shè)計這些傳統(tǒng)建筑涂料是實現(xiàn)SSRC的一種有前途的途徑。
近日，中國建筑工程有限公司技術(shù)中心的張衛(wèi)東和香港理工大學(xué)的Dangyuan?Lei和Jian-Guo Dai（共同通訊作者）等人報道了一種結(jié)合粒子散射、太陽激發(fā)熒光和中紅外寬頻輻射對具有特殊自適應(yīng)SDRC效應(yīng)的傳統(tǒng)建筑涂層材料（TiO2金紅石粉、聚合物乳液和玻璃微球等）進(jìn)行改進(jìn)的通用方法。從理論上證明，與天空的熱交換可以消除傳統(tǒng)SDRC中諧振微結(jié)構(gòu)和貴金屬反射鏡的使用，還可以增強(qiáng)日間降溫，并抑制夜間的過度冷卻，即SSRC。當(dāng)暴露在太陽光強(qiáng)度為744 W m-2（850 W m-2）的陽光直射下時，鋁板上的升級涂層可以達(dá)到比環(huán)境溫度低6 ℃（在規(guī)模模型建筑上為7 ℃），產(chǎn)生的冷卻功率為84.2 W m-2。該結(jié)果為高性能SDRC的實際大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路，以實現(xiàn)建筑物的人體熱舒適性。
圖1、SSRC的理論分析
微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能
圖2顯示了熒光顏料（FR）涂層和白色涂層樣品的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。FR涂層的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，微米級的熒光顆粒與TiO2納米顆粒和玻璃微球均勻混合。將它們組合形成的FR涂層在3-50?μm之間增強(qiáng)的總發(fā)射率為0.90，在8-13 μm之間的紅外發(fā)射率為0.96。FR涂層在未激發(fā)狀態(tài)下和白色涂層下的太陽反射率分別為0.898和0.895，其激發(fā)峰在420 nm左右，低于TiO2吸收帶邊緣。FR涂層在陽光直射下的ESR為93.4％，相當(dāng)于ESR-SR為3.6％，表明SSRC中熒光發(fā)射的重要性。
圖2、FR和白色涂料的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能
冷卻性能
作者測量了鋁板上FR涂層的冷卻效果。在陽光直射下，出現(xiàn)明顯的環(huán)境降溫效果，中午時的降溫溫度分別低于環(huán)境空氣5±1和6±1 ℃。同時，F(xiàn)R涂層顯示出增強(qiáng)的日間冷卻能力（6±1 ℃），并抑制夜間的過冷（4±0.3?℃）。在建筑應(yīng)用中，由于減少的熱負(fù)荷，日間溫差變窄會縮短使用壽命，并且使用SSRC涂層更舒適。當(dāng)太陽光強(qiáng)度為744 W m-2時，測得FR涂層的降溫溫度為6?℃，日間冷卻功率為84.2±8.5 W m-2，非輻射熱系數(shù)為4.5 W m-2?K-1。
圖3、鋁板上FR涂層的冷卻性能
實際冷卻效果
作者分別在兩個鋁板上涂了FR和白色涂層進(jìn)行費爾德測試，以揭示熒光對SSRC的貢獻(xiàn)。涂有FR涂層的鋁板的平均溫度比周圍空氣溫度低3.3 ℃，而涂有白色涂層的鋁板的平均溫度仍然保持略高于環(huán)境空氣溫度。在FR涂層觀察到的顯著的低于室溫的冷卻效果，揭示了中午由熒光所貢獻(xiàn)的凈冷卻能力。在夜間、清晨和午后，它們的溫度幾乎重疊并且明顯低于環(huán)境空氣溫度，表明僅當(dāng)太陽光強(qiáng)度高于某個閾值時才發(fā)生熒光冷卻。兩組結(jié)果說明，在觀察到的SSRC效應(yīng)中熒光發(fā)射的深刻作用。
圖4、鋁板上FR和白色涂層的實測冷卻效果
總之，作者成功地設(shè)計出了一種利用太陽光誘導(dǎo)熒光、粒子散射和材料寬頻發(fā)射率共同作用的亞環(huán)境輻射冷卻（SDRC）建筑涂層材料。利用天空作為溫度調(diào)節(jié)器，縮小了SSRC涂層的晝夜溫差，顯著拓寬材料的選擇范圍。當(dāng)需要在陽光下冷卻時，這種設(shè)計概念也可以應(yīng)用到其他表面材料。由于該方法的經(jīng)濟(jì)效益高，為將SDRC技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于建筑環(huán)境開辟了新思路，在降低建筑制冷能耗的同時實現(xiàn)人體熱舒適。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.201906751
