近日，best365官网登录入口科研团队报道了一种具有微三明治结构的聚合物基多孔膜，可用于户外持久高效的被动辐射冷却。这种特殊的孔结构对太阳光有更强的散射效率，表现出超高的太阳光反射率和优异的综合性能，有望将辐射冷却技术推向工业化应用。
该项成果由聚合物新型成型装备国家工程研究中心瞿金平院士和张桂珍教授团队取得，于9月25日在Cell子刊Matter上发表，题为“A micro-sandwich-structured membrane with high solar reflectivity for durable radiative cooling”。张桂珍、瞿金平为通讯作者，李煜为第一作者。
当前，全球约10%的电量用于室内空调，预计空调制冷需求到2050年将增加两倍。因此，开发绿色清洁、高效、低能耗的新型制冷技术具有迫切需求。其中，基于Mie散射理论、利用多孔结构进行辐射制冷，是一种不需要额外能量输入的被动辐射制冷方法，具有优异的制冷效率和柔性、轻质等特点，是最有希望满足未来制冷需求的技术之一。
要在聚合物基多孔膜上实现高太阳光反射率，就需要开发具备优异机械性能和环境稳定性的材料，这是一项极具挑战性的工作。为了实现大于95％的高太阳光反射率，多孔结构的高孔隙率会不可避免地降低聚合物基底膜的机械稳定性，尤其是在紫外线长期照射的情况下，会导致聚合物的性能减弱。此外，由于大多数孔结构的形状不可控，也阻碍了该类材料在反射性能上的进一步突破。
在本项研究中，best365官网登录入口团队在“聚合物（超高分子量聚乙烯，UHMWPE）-致孔剂（液态石蜡，LP）”体系中战略性地引入球状无机颗粒（SiO2微球），开发出了一种简单且可连续化的“相分离-双向拉伸”技术，在聚合物膜上创新性地实现了一种微三明治多孔结构（MAMS）。该结构利用UHMWPE分子链高度缠结的特性，所形成的紧密聚合物骨架可以有效包裹SiO2微球和LP微滴。其中，SiO2微球在双向拉伸过程中起到关键的支撑作用，使得LP微滴在UHMWPE骨架挤压下形成椭球状。
MAMS制备过程
在双向拉伸作用下，UHMWPE的片晶发生显著滑移并逐渐被取向的纤维晶取代，形成交错的网状结构，UHMWPE的结晶度也得到提升。由于SiO2微球的支撑作用，这一过程还伴随着类椭球状的微三明治结构的形成。高度取向的纤维晶和高结晶度显著提升了聚合物多孔膜的力学强度，即使在60wt%的无机颗粒和68%的孔隙率下，多孔膜也表现出优异的机械性能，拉伸强度达到25MPa，撕裂强度达到88.9N/mm。
相比传统的球状孔，这种特殊的微三明治多孔结构表现出更为强烈的光散射效率，并在横纵尺寸比≈1.9时达到峰值，为有效太阳光反射提供了充足的界面。最终，MAMS表现出高达99.1%的超高太阳光反射率和92.6的高中红外发射率，并在实际测试中对密闭空腔实现高达10.7℃的大幅降温效果。
得益于UHMWPE基体优异的稳定性和微三明治孔结构对紫外区太阳光的全反射，MAMS还表现出强大的环境稳定性。即使在61.6W/m2紫外灯下辐照240小时（相当于广州市7年的辐照量），以及在强酸或高温环境下，其光学性能和机械性能也几乎没有改变。作为一种新型绿色制冷技术材料，在轻质膜式建筑、车辆、食品保鲜等领域，有着巨大的实际应用潜力。
相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.020
