物质科学
Physical science
华南理工大学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开发了一种通过简单的“相分离-双向拉伸”方法制备具有微三明治孔结构的辐射冷却膜，文章以“A micro-sandwich-structured membrane with high solar reflectivity for durable radiative cooling”为题，发表于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter。
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第一作者：李煜
通讯作者：张桂珍、瞿金平
通讯单位：华南理工大学
研究亮点：
设计了一种特殊的微三明治孔结构用于强烈的太阳光散射。
提出一种简单的“相分离-双向拉伸”方法实现微孔结构的形状和聚合物基体的结晶结构控制。
将UHMWPE用于辐射冷却微孔膜，成功兼顾微孔结构、机械性能和环境稳定性。
辐射冷却技术
当前，全球每年约10%的电量用于室内空调。预计到2050年，空调制冷需求将增加两倍。因此，开发绿色清洁，高效且低能耗的新型制冷技术具有迫切需求。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，已经成为最有希望满足未来制冷需求的技术。然而，为了实现所需的高太阳光反射率（＞95%），高孔隙率不可避免会降低聚合物基底膜的机械稳定性（拉伸强度＜10 MPa），尤其是在紫外线长期照射的情况下，聚合物的性能会减弱。此外，大多数孔结构的形状不可控，阻止了在反射性能上的进一步突破。因此，在聚合物基多孔膜上同时实现高太阳光反射率，优异的机械性能和环境稳定型仍具有挑战性。
图1：具有微三明治结构的UHMWPE基多孔膜（MAMS）的制备流程。
要点1：一种简单的“相分离-双向拉伸”方法实现结晶结构的调控
作者发现，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25 MPa和撕裂强度88.9 N/mm）。
图2：具有微三明治结构的UHMWPE基多孔膜（MAMS）的微观结构表征和机械性能。
要点2：微三明治结构具有强烈太阳光散射效率
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达到峰值，为有效太阳光反射提供了充足的界面。这表明太阳光可以通过更复杂的路径扩散，显著提升了反射太阳光所占的比例。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。
图3：具有微三明治结构的UHMWPE基多孔膜（MAMS）的光学性能。
要点3：兼顾微孔结构、优异的机械性能和环境稳定性
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（≈100%），即使是在61.6 W/m2紫外灯下辐照240 h（分别相当于广州市7年和弗洛里达州8年的辐照量）、强酸或高温环境下，MAMS的光学性能和机械性能几乎没有改变，展现了其作为新型绿色制冷技术被实际应用在轻质膜式建筑，车辆和食品保鲜等领域的巨大潜力。
图5：具有微三明治结构的UHMWPE基多孔膜（MAMS）的环境稳定性。
小结
这项工作为辐射冷却技术的性能提升和大规模制备提供了一种有价值的参考。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社
旗下期刊Matter，
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▌论文标题：
A micro-sandwich-structured membrane with high solar reflectivity for durable radiative cooling
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238524004521
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.020
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