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华东理工赵玲教授团队 Adv. Sci.:适用于创新建筑冷却的超高膨胀倍率发泡材料
2025-03-25  来源:高分子科技

  全球气候变暖显著增加了空间制冷需求。过去30年间,空间制冷产生的二氧化碳排放量已达10亿吨。当前建筑热舒适的主动制冷系统(如空调)占全球温室气体排放总量的 10% 以上。空间制冷的碳足迹正在加剧全球变暖,形成恶性循环。被动日间辐射制冷(PDRC)策略为传统空间制冷技术提供了理想替代方案。该技术通过大气长波红外(LWIR)透明窗口(8-13μm)将热量散失到寒冷外太空,实现建筑降温而无需消耗能源或排放温室气体。然而传统辐射制冷材料在结构设计中常忽略隔热性能,夏季显著的室内外温差会大幅增加对流和传导造成的非辐射热流传递,严重影响制冷效果并导致能耗上升。将隔热性能集成到辐射制冷器中,既能阻止室外热量传入室内,又能提供额外制冷效果,为高效建筑隔热制冷结构设计提供了前瞻性解决方案。


  高标准建筑设计要求辐射制冷材料同时具备高太阳反射率、高红外发射率和低热导率。这些特性确保材料在将太阳能反射回外太空的同时,最大限度减少建筑与外界环境的热交换。被动辐射制冷策略在自然界中广泛存在,如植物叶片、动物皮毛和昆虫甲壳的生物机制。受中美洲忒修斯蝶翅膀和中国竹荪菌柄表面微观结构高效反射阳光的启发,设计具有多孔结构的辐射制冷材料可增强太阳光谱范围内的光散射效应,是建筑应用的可行方案。



  鉴于此,华东理工大学赵玲教授团队近期Wiley旗下《Advanced Science》期刊上发表了题为《Unprecedented Ultra-high Expansion Ratio Foam for Innovative Architecture》的研究论文。该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)两种聚合物之间的作用关系凭借其丰富的红外吸收化学键以及固有的高红外发射率,使其成为辐射制冷器的理想基材。通过在聚合物表面构建多孔结构,可以进一步提升对太阳辐射的反射率,同时在材料内部形成的多孔构造,能够有效抑制热流的传递。这种表里结构的协同作用,充分满足了低碳节能且可持续发展的建筑应用需求。


PMMA/PVDF与二氧化碳的相互作用


传导-微波协同加热辅助PMMA/PVDF发泡的宏观和微观结构调控


  研究团队通过多重手段对PMMA/PVDF共混体系与二氧化碳的相互作用进行分析,基于CO2塑化作用下CO2在共混体系中的溶解、聚合物结晶的结晶度及晶体尺寸以及塑化作用对于基体热行为的协同影响,通过工艺参数的耦合变化,对发泡过程中泡孔成核与生长给予指导该研究利用传导-微波协同加热辅助CO2发泡工艺优化了泡孔尺寸与膨胀倍率,制备了稳定膨胀倍率超过120倍且泡孔尺寸均匀的PMMA/PVDF发泡材料。


PMMA/PVDF发泡材料的日间被动辐射冷却性能


全球重点城市制冷节能和碳减排情况


  PMMA/PVDF 发泡材料具备疏水性、耐化学腐蚀性,且可回收利用。其独特的负泊松比结构使其具备卓越的抗压强度、弹性和柔韧性,无论是日常使用还是在极端天气条件下都表现得十分出色。材料的固有特性和泡孔结构使其拥有低导热系数(26.69 mW/(m·K))、高太阳反射率(96.37%)以及高红外发射率(97.34%)。这意味着在炎热天气下,使用该材料能够使建筑物室内达成降温效果,测试结果表明使用前后的温差可达15℃,足以满足世界上大部分国家建筑物的降温需求。超高膨胀倍率PMMA/PVDF发泡材料在节能、减少碳足迹和推动可持续发展方面有着巨大的潜力,有望为下一代建筑的发展提供有力的解决方案。


  针对微波辅助聚合物发泡领域,该团队前期已做了广泛探索,基于微波的均匀加热和选择性加热对聚合物板材发泡材料和聚合物珠粒发泡材料成型体的高效可控提出见解,相关成果已发表在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。本论文第一作者是华东理工大学化工学院博士研究生钟文宇陈弋翀特聘副研究员,通讯作者为华东理工大学赵玲教授


  原文链接:https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202501188

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