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　　木材、混凝土等传统建筑材料无法有效调节建筑物的热通量。基于压缩机的冷却系统用于为人类提供舒适的内部环境，极大增加了全球能源消耗。最近研究证明，被动日间辐射冷却可以通过大气透明窗口有效地将热能辐射到寒冷的外太空，同时极大反射太阳光照，此技术已经获得了低于环境温度的冷却效果。此研究中，美国东北大学郑义教授课题组展示了一种高性能日间辐射冷却材料，该材料通过液压压制三聚氰胺甲醛(MF)颗粒并将其加热交联成为光子冷却体，作为有效的太阳能反射器和红外热发射器。在阳光直射(750Wm-2)下，能够达到低于环境3.6°C的冷却效果，比作为对照组的混凝土和木材分别低12°C和5°C。液压法和加热交联的两步制造方法简单，可以很容易地扩大规模用于工业制造。制备的三聚氰胺甲醛冷却材料显示出非常理想的阻燃性能，并且具有自熄性，使其成为安全的建筑材料。该材料经久耐用，并且在恶劣环境中（例如长时间暴露在酸性和碱性溶液中）具有良好的光谱稳定性。该工作发表在AppliedMaterialsToday。

　　研究内容：

　　图1.(a)具有高太阳反射率和红外热辐射率的物体的被动辐射冷却机制示意图。(b)两种理想场景的光谱反射率：场景1（黑线）的高热辐射率在超过5.0um的波长范围内和场景2（红线）的热辐射正好在大气透明窗口波长区域。这两种情况在太阳波长上都具有高的太阳反射率。(c)MF冷却体的制造工艺包括MF粉末的冷压和在170°C下加热交联1小时。(d)MF的高太阳反射率和热发射率机制的示意图。太阳光散射来自MF冷却体表面上的微米微粒。热辐射源自MF中化学基团的分子振动。(e)MF冷却体的光谱反射率与AM1.5太阳光谱（ASTMG173）、30°C黑体热辐射光谱。(f)MF冷却体在各种入射角(AOI)上的总太阳反射率和热辐射率有助于提高半球太阳光反射率和热辐射率。

　　地球通过太阳的热辐射变暖，同时通过向外太空辐射热量来冷却。大气对8um至13um的热红外辐射高度透明，这与30°C黑体的扩散区域重合。主要的大气窗口为地球上的物体向宇宙散热打开了一扇门，并提供了在不消耗任何能源的情况下被动冷却物体的机会。如果一个物体具有很高的的太阳反射率以抑制太阳辐射加热和接近于一的热辐射以改善散热，那么它会比没有这种光谱选择性的其他物体温度更低（图1（a））。具有光谱选择性反射光谱的两种不同的理想化场景如图1（b）所示。对于场景1（理想的发射器1，黑线），大于4.5um的波段发射率是一，其他波段为零，而对于场景2（理想的发射器2，红线），发射率刚好在大气透明窗口的波段为一。理想发射器1非常适合实现远低于环境温度的冷却效果，而对于理想发射器2，来自环境的热辐射抵消了部分通过透明的大气窗口辐射获得的冷却功率。虽然理想发射器1的光谱轮廓是PDRC材料的最终目标，但很难用可行的方法和丰富的材料来设计和制造这种光子结构。理想的发射器2是实现日间辐射冷却的有前途的方案。因此，我们使用MF微粒设计并加工了一种光谱选择性发射器，其反射率与理想发射器2相似。MF最初用作木材粘合剂，年产量大。MF粉末可以通过简单的自下而上合成坚硬的固体，方法是在5MPa下进行冷压，然后在170°C下加热交联1小时（图1（c））以形成MF冷却体。由于这些微粒的光散射，原始的微小MF颗粒合并成较大的微粒并在太阳区域形成漫射高反的白色表面（图1（d））。由于其聚合物链的分子振动，MF冷却体也具有很强的发射性（图1（d））。如图1（e）所示，测量得到的MF冷却体的反射光谱证明了这一点，总太阳能反射率为0.94，热辐射率为0.95。这种出色的光谱选择性确保了其白天的辐射冷却性能。阳光的入射角根据一天中的不同时间和不同季节或地点而变化。这要求PDRC材料具有在高入射角度下具有高太阳反射率的漫射表面。此外，PDRC材料对所有角度的高热发射率确保它可以将热量辐射到天空的所有角度。图1（f）表明，即使在大入射角度（60°）下，MF冷却体也具有高太阳反射率和热发射率。这种与角度无关的光学分布归因于随机排列的MF微粒（图1（d））。粗糙的多孔表面在太阳波长中产生漫射的“白色”外观，在大气窗口中产生漫射的“黑色”外观。此外，MF冷却体的漫射表面减少了镜面光反射对人眼的不健康视觉影响，使其适用于建筑实施。

　　图2：MF冷却体、木材、混凝土和环境的温度变化。

　　如图2所示，MF冷却体，木材和混凝土这三个样品的温度变化。结果表明，在测试过程中，木材和混凝土在阳光直射下的温度均高于环境温度，而MF冷却体的温度低于环境温度。尽管直接暴露在太阳辐射下，MF冷却体仍保持比环境空气低2.5°C的温差。在750Wm-2的太阳辐射下，MF冷却体与环境之间的最大温差为3.6°C.

　　图3：MF冷却体的阻燃性能评估显示其具有出色的自熄功能，而木材和聚苯乙烯(PS)泡沫这两种常见的建筑材料很容易被烧毁。

　　建筑材料的阻燃性对人身安全具有重要意义。我们测试了MF冷却体的阻燃性，并将其与木材和PS进行比较，因为后两者是常见的建筑材料。这三种不同材料的燃烧过程在用火焰温度为1430°C的喷灯点燃3秒后记录（图3）。木材和PS泡沫在15秒内燃烧成灰烬，而MF冷却体在第15秒熄灭。这证实了MF冷却体是自熄的，并且可以安全地用作建筑物外墙，即使它是一种聚合物材料。

　　论文链接：

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352940721001682

　　来源：高分子科学前沿

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