PDMSZrO2SiO2超疏水輻射制冷薄膜的制備及性能

輻射制冷作為一種自然現(xiàn)象在20世紀(jì)60年代首次被系統(tǒng)地研究，研究人員提出通過設(shè)計(jì)在8~13μm具有高發(fā)射率的材料上實(shí)現(xiàn)夜間輻射制冷。相比之下，獲得日間輻射制冷的難度更高、更具挑戰(zhàn)，但其對(duì)建筑物、光伏設(shè)備、人體熱管理等更具現(xiàn)實(shí)意義，引發(fā)了許多學(xué)者的研究興趣。然而，大多數(shù)輻射制冷材料在戶外應(yīng)用時(shí)容易被污染從而影響其光學(xué)性能并降低降溫效果，因此，提高輻射制冷材料的防污性能對(duì)于延長(zhǎng)其服役壽命具有重要意義。超疏水表面具有特殊的浸潤(rùn)性，可以在材料遭受外界污染時(shí)，利用水珠在其表面滾落時(shí)帶走污染物而不影響材料本身的特性。本研究以具有高紅外發(fā)射特性的低表面能聚合物PDMS為基體，通過共混法引入高折射率的ZrO2納米粒子并結(jié)合簡(jiǎn)單的噴涂法，以獲得內(nèi)部隨機(jī)分布ZrO2納米粒子、表面具有粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水輻射制冷薄膜，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和性能測(cè)試。摘要：被動(dòng)日間輻射制冷（PDRC）技術(shù)由于不需要外部能源、綠色清潔無污染而受到廣泛關(guān)注。將聚二甲基硅氧烷（PDMS）和ZrO2粒子混合形成分散液，再將其澆鑄成膜后得到PDMS/ZrO2輻射制冷薄膜，然后通過噴涂PDMS/SiO2分散液對(duì)其進(jìn)行疏水化處理制備了一種PDMS/ZrO2/SiO2超疏水輻射制冷薄膜。對(duì)ZrO2粒徑和噴涂液中SiO2用量進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，當(dāng)ZrO2為500nm，SiO2用量為3.0%（以乙酸乙酯質(zhì)量計(jì)）時(shí)，制得的PDMS/ZrO2/SiO2薄膜的表面接觸角可達(dá)156°±2°，滾動(dòng)角為0.3°±0.1°，表現(xiàn)出優(yōu)異的自清潔性能。其太陽光反射率高達(dá)95.3%，紅外發(fā)射率>90%。在太陽光直射下，薄膜可實(shí)現(xiàn)平均低于環(huán)境溫度9.99℃的降溫效果。薄膜的自清潔性能使其表面不受泥土污染，從而具有穩(wěn)定持久的輻射降溫功能。此外，薄膜具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐摩擦性能以及耐酸/堿溶液和紫外光照穩(wěn)定性。結(jié)論通過將PDMS/ZrO2分散液澆鑄成膜得到輻射制冷薄膜，結(jié)合PDMS的高紅外發(fā)射率和低表面能、ZrO2的高折射率以及SiO2的粗糙結(jié)構(gòu)和高發(fā)射率，使用PDMS/SiO2噴涂液對(duì)其進(jìn)行疏水化處理得到表面具有粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水輻射制冷PDMS/ZrO2/SiO2薄膜。當(dāng)ZrO2粒子粒徑為500nm、SiO2用量為3.0%時(shí)，薄膜的疏水性和輻射制冷性能最好。所制得的薄膜的表面CA可達(dá)156°±2°，SA小于1°，結(jié)合PDMS/ZrO2/SiO2薄膜的超疏水性和低黏附性使其具有優(yōu)異的自清潔性。太陽光反射率可達(dá)95.3%，紅外發(fā)射率大于90%，具有優(yōu)異的光學(xué)性能。在實(shí)際戶外測(cè)試中，可實(shí)現(xiàn)最高12.3℃、平均9.99℃的輻射制冷效果。優(yōu)異的超疏水性使薄膜在不同pH溶液浸泡168h后和在紫外燈照持續(xù)照射168h后仍具有超疏水性，其平均降溫效果與原始薄膜相差不大，具有一定的穩(wěn)定性。PDMS/ZrO2/SiO2薄膜的超疏水性經(jīng)手指摩擦30次和砂紙打磨5個(gè)摩擦循環(huán)后仍具有超