NTEX丨天工大团队研发出一种超疏水自清洁、零能耗冷却降温的PTFE纳米纤维膜

文摘 2025-01-04 20:49 浙江

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被动日间辐射制冷（PDRC）是一种新颖的、环境友好型、零能耗的冷却技术，它通过有效反射太阳辐射（0.3-2.5 μm波段）并通过大气窗口（8-13 μm波段）向寒冷的外太空辐射热量，实现物体表面降温效果。目前的研究主要集中在材料和结构的设计以提升PDRC性能。然而，PDRC器件在实际应用中往往因表面污染及长期耐久性差而存在性能衰退的问题，这限制了其使用寿命及商业化的进一步发展。鉴于此，开发一种易于制备、高效、可连续化生产并具备自清洁特性的高性能PDRC材料，仍面临着重大的挑战。

聚四氟乙烯（PTFE）化学键单一，C-F键具有高大气窗口（8-13 μm波段）发射能力，且强烈反射太阳光，具有抗紫外线、耐化学腐蚀、良好的热稳定性以及低表面能等独特的优势，是PDRC应用的理想材料。基于此，天津工业大学黄庆林教授团队利用静电纺丝技术成功制备出一种具有优异的辐射冷却性能和超疏水自清洁特性的PTFE纳米纤维膜（SNM-PTFE）。SNM-PTFE的平均红外发射率为95.8%，平均反射率为95.4%。在阳光直射下，能够实现~ 14.4 ℃的亚环境冷却性能和~ 9.5 ℃的高于环境冷却性能。此外，SNM-PTFE具有出色的自清洁抗污染能力，在户外暴露一个月后仍然保持良好的冷却性能。SNM-PTFE表现出前所未有的综合性能，在PDRC领域中展示出巨大的发展潜力，可以进一步扩展其在建筑、工业、商业和人体热管理等领域的应用。该工作以“Self-cleaning PTFE nanofiber membrane for long-term passive daytime radiative cooling”为题发表在Chemical Engineering Journal上。

图1 静电纺丝制备SNM-PTFE的流程及长期户外各种实际PDRC应用

SNM-PTFE的形貌和结构

基于经典Mie散射理论，静电纺丝得到的高孔隙率SNM-PTFE能够强烈散射可见光以提供最大的太阳光反射率。引入的无机粒子SiO2气凝胶不仅增加了SNM-PTFE的表面粗糙度，使其达到超疏水效果，进而增强自清洁能力，而且进一步提升了SNM-PTFE的隔热和红外发射能力。

图2 M2的SEM图，（a）初生膜，（b）烧结膜；（c）M0和（d）M2中F、C、Si、O的EDS元素分布图；（e）SNM-PTFE的WCA和Ra图；（f）SNM-PTFE和SiO2气凝胶的FTIR光谱图；（g, h）SNM-PTFE的孔径分布图；（i）SNM-PTFE展示出优异的防水能力；（j）直径为5cm的SNM-PTFE光学照片以及（k）其热红外成像图；（l）在空气质量1.5（AM1.5）的太阳辐射波段和大气透明窗口下SNM-PTFE的反射和发射光谱图

SNM-PTFE的PDRC性能测试

为了全面且精准地评估SNM-PTFE的PDRC综合性能，该团队系统的分析了SNM-PTFE的隔热能力、太阳光反射能力、红外发射率、及其在亚环境时和高于环境温度时的冷却性能，证明了通过添加SiO2气凝胶、增加膜厚度、以及优化膜孔径可以显著提升SNM-PTFE的PDRC性能。

图3（a）氙灯模拟太阳光测试SNM-PTFE隔热性能示意图；（b）拍摄加热器上样品的热红外成像照片测试SNM-PTFE隔热；（c）在太阳直射下测试样品室外冷却性能装置示意图；（d）氙灯模拟太阳光下SNM-PTFE隔热性能；（e）SNM-PTFE（300 μm）在100 ℃加热器上20 min内的红外热成像照片；（f）不同SiO2气凝胶添加量的SNM-PTFE降温性能；（g）不同孔径的M2降温性能；（h）不同厚度的SNM-PTFE降温性能；（i）高于环境温度时，M2的降温性能

SNM-PTFE的自清洁性能

在实际应用中，PDRC器件往往因浮尘或其它固体污染物的沉积而导致性能衰退以及寿命缩减。具有超疏水表面的SNM-PTFE能够有效抵御污染物附着，从而提供自清洁特性和长期耐久性。相较于商业化的双向拉伸PTFE膜（Cb-PTFE）和单向拉伸PTFE膜（Cm-PTFE），SNM-PTFE在户外环境暴露一个月以后依然维持其优异的冷却性能，显示出更为出色的抗污染性和长期耐久性。

图4（a）SNM-PTFE自清洁能力；（b）SNM-PTFE、Cb-PTFE和Cm-PTFE在户外暴露一个月前后表面对各种污染物液滴抗污染的数码照片；（c, d）SNM-PTFE、Cb-PTFE和Cm-PTFE在户外暴露一个月前后降温性能对比

综上所述，该团队成功开发了一种具有高效自清洁功能的SNM-PTFE材料，适用于各种户外场景的长期使用。通过向静电纺丝溶液中加入SiO2气凝胶，实现一种便捷、可控、且适合连续化生产的一步法制备工艺。SiO2气凝胶被PTFE树脂充分包裹，广泛分布于纳米纤维的内部和表面。在随后的烧结过程中，熔融的PTFE树脂将SiO2气凝胶牢固地锚定在纳米纤维膜表面，防止SiO2气凝胶的脱落，其超疏水性进一步保障了SiO2气凝胶在膜表面的稳定性，从而增强了SNM-PTFE的长期耐久性。实验结果表明：SNM-PTFE具有优异的太阳光反射率（95.4%）和中红外发射率（95.8%）。此外，通过优化SiO2气凝胶添加量、调整膜厚度和孔径结构可以显著提升SNM-PTFE的PDRC冷却性能。在阳光直射下，SNM-PTFE能够实现~ 14.4 ℃的亚环境冷却性能和~ 9.5 ℃的高于环境冷却性能。同时，其优异的自清洁和抗污染能力使SNM-PTFE在户外暴露一个月后依旧维持良好的冷却效果，展现了其长期的耐用性。SNM-PTFE拥有出色的综合性能，使其在建筑、商业、工业及人体热管理等应用领域中成为一种有效降温的候选材料。

天津工业大学黄庆林教授纤维新材料团队长期从事面向电子器件、新能源、生物医用材料等领域的功能性PTFE纳米纤维膜的产品开发及产业化应用。发表PTFE纳米纤维膜相关论文30余篇，授权发明专利30余项，实现企业转化10余项。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151831

来源：高分子科学前沿、NTMT纺织新材料

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