給輻射冷卻塗層來點顏色

冷卻建築物,車輛和數據中心等地面物體是我們今天面臨的關鍵挑戰。冷卻通常需要大量能源,因為基於壓縮器的冷卻器會消耗大量電能。使用太陽光反射和熱輻射表面是一種在陽光下冷卻物體的可持續方式。但是,這些白色或銀色的表面不能滿足人們對顏色的需求。為瞭解決這個問題,人們對彩色輻射冷卻器(CRC)進行研究。CRC可以選擇性吸收可見光譜的一部分以顯示所需的顏色,而其他太陽波長,特別是近至短波長紅外被反射。但現有CRC的性能或使用范圍都受到限制。因此,以高度可擴展的方式同時實現彩色和輻射冷卻性能仍然是一個挑戰。

給輻射冷卻塗層來點顏色

近日,哥倫比亞大學楊遠虞南方在《Science Advance》上介紹瞭一種可以同時實現彩色和輻射冷卻的雙層塗層。該雙層塗層包括陽光散射非吸收性底層和可見光吸收性頂層。頂層吸收適當的可見波長以顯示特定的顏色,而底層則使近短波長紅外(NSWIR)光的反射最大化,以減少太陽輻射。因此,該雙層塗層在強烈陽光照射下的溫度比相同顏色的商用單層塗層低3.0°至15.6°C,並且可以獲得更高的NSWIR反射率(0.1到0.51)。這些性能表明,雙層塗層設計可以以簡單,廉價和可擴展的方式實現彩色和有效的輻射冷卻。

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圖1. 增強NSWIR反射的雙層CRCs。(A)在保持可見光譜反射率的同時,提高NSWIR的反射率。(B)陽光和熱輻射與可塗雙層設計之間的相互作用示意圖。(C)雙層(左)及單層(右)塗於塑膠基板上的照片。(D)四對不同顏色的P(VdF-HFP)雙層和單層塗層的可見光(左)和NSWIR照片(右)。

雙層塗層具有較厚的陽光散射非吸收性底層和較薄的著色頂層。由於頂層很薄(圖2D)並且著色劑對NSWIR光的散射較弱,在NSWIR波長的光會透射,沿短的光路進入底層而不會被大量吸收。進入陽光散射非吸收性底層後,NSWIR光線會強烈地反向散射到頂層,幾乎不受阻礙地返回自由空間,從而產生較高的RNSWIR。此外,薄頂層具有與目標色的常規單層相同的著色劑濃度和組成。盡管比單層塗層要薄得多,但它仍然具有足夠的厚度,以確保與目標色互補的可見光被強烈吸收,而其他波長則被其自身或陽光散射底層反射。

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圖2. 雙層設計原理。(A和B)展示瞭陽光與單層(A)和雙層(B)塗層的相互作用。(C)包含選擇性黑色染料的聚合物的復光譜折射率。(D)三種模擬設置的示意圖:(左)太陽光散射多孔聚合物,(中)折射率為(C)的單層染色多孔聚合物,(右)底部是散射介質,頂部是單層薄膜的雙層。(E)(D)中三種結構的模擬反射率。

文章研究瞭兩種類型的陽光散射底層。一種是厚度為500μm具有約50%多孔P(VdF-HFP)的厚層,其中包含相互連接的微孔和納米孔(圖3A),從而導致瞭陽光的高效反向散射。另一種是商業輻射冷卻標準的250μm無孔TiO2基白色塗層。與商用單層塗層相比,這兩種雙層設計顯示出幾乎相同的顏色,但RNSWIR值明顯更高。如圖3(C至F)所示,每種顏色單層和雙層的可見光譜趨勢緊密匹配,從而導致相似的CIE x和y色度值和較小的亮度差異(圖3B)。然而,在NSWIR中,基於多孔P(VdF-HFP)的雙層比基於TiO2的雙層的反射率更高。

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圖3. 雙層冷卻塗料的結構和光學特性。(A)紅色多孔P(VdF-HFP)雙層,TiO2雙層和單層塗層的光學顯微鏡(上)(比例尺,20微米)和掃描電子顯微鏡(下)(比例尺,5微米)圖像。(B)CIE 1931顏色空間中顯示的黑色,藍色,紅色和黃色冷卻塗料的色度。(C至F)分別為黑色(C)、藍色(D)、紅色(E)、黃色(F)冷卻塗料的反射率譜。

通過將圖3中的雙層和單層樣品(C到F)暴露在直射陽光下(圖4,A和B)可以證明雙層方法實現的RNSWIR增強可帶來更好的日間冷卻性能。在極端情況下(黑色樣品),由於RNSWIR的對比度較大,在約1025 W m-2 的陽光輻射下,多孔P(VdF-HFP)和TiO2基雙層比單層的溫度低15.6°C和13.2°C(圖4C)。

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圖4. 彩色冷卻塗料室外溫度試驗。(A和B)在陽光下進行溫度測試的裝置示意圖和照片。(C至F)分別為黑色(C)、藍色(D)、紅色(E)、黃色(F)冷卻塗料室外試驗中詳細的太陽強度(y軸上半部分)和溫度(y軸下半部分)數據。

這些結果表明,雙層塗層設計,特別是基於多孔P(VdF-HFP)的設計,可以降低建築物,汽車和其他地面物體的溫度和空調成本。從實用的角度來看,該雙層塗層可以通過簡單的制造過程滿足冷卻性能,同時滿足色彩的審美要求。

全文鏈接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaaz5413

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