美国东北大学郑义教授：回收包装塑料实现更环保的被动辐射冷却

被动日间辐射冷却（PDRC）是一种很有前途的节能冷却方法，可以在不消耗能源的情况下冷却物体。然而，目前用于被动辐射冷却的材料面临着巨大的挑战，例如复杂的制造方法、昂贵的原材料。近日，为了应对全球塑料回收的迫切需求，美国东北大学郑义教授课题组博士生刘杨利用回收的泡沫塑料和普通的打印纸来制造具有优异自冷却能力的泡沫-纸复合材料（FPC）。高漫反射 PS 泡沫颗粒与纤维打印纸的结合，使FPC太阳光谱反射率达到 96%，在太阳直射下平均产生8.4 °C的温降和90 W/ m2的冷却功率。同时，FPC在高湿度下仍能保持较高的太阳光反射率，促进其在潮湿的亚热带地区的应用。此外，低成本材料和简单制造方法将为有效的白天辐射冷却提供有效途径。该论文发表于 Materials Today Sustainability.

泡沫-纸复合材料 (FPC)的制造过程如图1所示。首先，将白色打印纸切成小片并浸入水中1小时，再加入洗净后的发泡聚苯乙烯（EPS）泡沫块，然后用高速搅拌机打成泡沫纸浆。在真空过滤的辅助下，我们得到厚度约1 cm的FPC。放入烘箱(60℃)烘干后，用液压机将样品压成直径100 mm，厚度为2mm的薄片。

图1 .  FPC 的辐射冷却机制及其闭环制造和回收过程示意图。

根据我们的低成本和环保要求，我们选择回收的PS泡沫和普通的白色打印纸来制造被动辐射冷却材料。一方面，在FPC中打印纸提供了内部纤维，可以将分散的PS泡沫颗粒粘合在一起，进一步提高其机械强度。另一方面，PS泡沫颗粒具有优异的光学特性和疏水性，使得FPC更适合复杂的户外条件。因此，与单一的PS泡沫板或打印纸相比，PS泡沫颗粒与打印纸中纤维的组合为建筑物被动辐射冷却材料提供了有吸引力的候选材料。图2a -c显示了所制备的直径100 mm、厚度2 mm的FPC样品，其质量比分别为F5:P1、F1:P1和F1:P5，在阳光下均为纯白色。SEM图像显示了FPC 内部多孔和纤维结构。这些相互连接的微纤维将泡沫颗粒紧密地连接在一起。PS泡沫颗粒和空气空隙之间形成的多孔结构的界面增强了FPC中的光子散射，从而提高了整体太阳光反射率。PS泡沫比例的增加会明显增加其顶面的孔隙，进一步增加PS泡沫颗粒与空气空隙之间的界面，而纸张的增加会增加边界上互连的微纤维。当质量比为F5:P1时，这种粗糙表面在防水性能方面也具有优异的性能，约128°的水接触角。

图2. 直径为 100 mm、厚度为 2 mm FPC 样品的 (a–c) 光学图像、(d–f) SEM 图像和 (g–i) 水接触角图像。（质量比：F5:P1, F1:P1, and F1:P5）

图3展示了FPC在 0.3 至 20 μm 之间的吸收率/发射率以及机械强度。FPC样品（F1:P1）可以反射96%的太阳光，同时在8至13微米之间具有0.80的高热发射率（图3a）。有趣的是，与单一的PS泡沫和打印纸相比，RFPC从0.88（泡沫）和0.80（打印纸）增加到0.96（FPC）。这一结果可能归因于 PS 泡沫颗粒和空气空隙之间的多孔结构，从而增强了 FPC 的整体阳光散射。此外，分层随机排列的 PS 泡沫颗粒和微纤维会产生高太阳光漫反射（0 ∼ 60°；图 3 b）。大气透明窗口（8 ∼ 13 μm）上的红外热发射率是由于FPC 样品中随机堆叠的纤维素纤维的存在（0 ∼ 60° ；图3c )。同时，PS泡沫与打印纸的质量比会明显影响光谱吸收率/发射率分布，因为PS泡沫颗粒增强了FPC的太阳光反射，而纤维素纤维则有助于增加红外热发射率εIR 。此外，FPC 在较高质量比（F1:P5）下表现出更高的拉伸强度（图 3e）。

图3. (a) FPC (F1:P1)、打印纸和EPS泡沫板的半球光谱反射率。(b) FPC跨角度的太阳反射率和 (c) 热红外发射率。(d) 不同质量比的FPC样品的半球光谱发射率和 (e) 应力应变曲线。

图 4a显示了 FPC (F1:P1) 在 24 小时内的温度变化和净辐射冷却功率。日出、中午、日落时的温降ΔT均保持在4K以上，保证了足够的辐射冷却效果。最大温差高达8.4 K，而净辐射冷却功率在下午2:15左右达到最大值90 W/m 2。当被动辐射冷却性能使FPC低于空气露点温度时，水会凝结在其表面。为了量化阳光直射下露水采集的辐射冷却，我们计算了图 4所示的一天中露水采集的时间段（即T FPC  ≤  T dew ）。结果表明，FPC 理论上能够在上午 9:00前和晚上 8:00后收集露水，这间接导致 FPC 在大部分被动辐射冷却过程中保持湿润。

图4. (a) 辐射冷却系统的制冷温度和辐射冷却功率在 24 小时内的变化。(b) 理论露水收集潜力。

为了模拟更真实的工作条件，我们使用喷雾瓶将水均匀地喷在FPC样品上。在这里，我们通过喷射不同质量的去离子水为FPC创建不同的湿润状态。图5a显示了干燥和潮湿FPC样品的光谱发射率之间的比较。可以清楚地看到，PFC 中的水分极大地提高了中红外发射率，但几乎不影响太阳反射率，从而增强了被动辐射冷却。基于上述理论计算，我们评估了FPC（F1：P1）在不同湿度下的冷却性能，其中湿度由喷水量控制（图5b）。完全干燥的 PFC在阳光直射下可实现最高 8.4 K 的温降。此外，由于露水的热发射贡献，当其湿度超过 20%，FPC在阳光直射下的理论温差可提高至 9.0 K，其湿度超过 20%。当FPC的湿度进一步增加到50%时，虽然潮湿的FPC可以通过大气透明窗口（8∼13μm）内红外热发射率的增强来提高其辐射冷却能力，但波长范围1∼2.5μm内的太阳光吸收率增加会导致较大的温差波动.

图5. (a) 不同湿度条件下FPC (F1:P1) 的光谱发射率和 (b) 计算温差 (ΔT = Tamb - TFPC )。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2023.100448

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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