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斯坦福大學(xué)崔屹團(tuán)隊，最新PNAS！

成果簡介

空間供暖和制冷每年消耗約13%的全球能源。先進(jìn)材料的開發(fā)促進(jìn)了供暖和制冷方面的節(jié)能，這一點越來越受到人們的關(guān)注。熱隔離所關(guān)注的空間，并盡量減少與外界環(huán)境的熱交換已被認(rèn)為是一個有效的解決方案。

斯坦福大學(xué)崔屹教授團(tuán)隊等人開發(fā)了一種通用的彩色低發(fā)射率涂料，以形成由紅外(IR)反射底層和紅外透明彩色頂層組成的雙層涂料。豐富多彩的視覺外觀確保了與傳統(tǒng)涂料相媲美的美學(xué)效果。該涂料實現(xiàn)了高中紅外反射率(高達(dá)80%)，是相同顏色的傳統(tǒng)涂料的10倍以上，有效地減少了從外部環(huán)境獲得和損失的熱量。高的近紅外反射率也有利于在炎熱的日子里減少太陽的熱量增益。

這些涂料的優(yōu)勢特點在全年的供暖和制冷節(jié)能和懲罰之間取得了平衡，提供了一個全面的全年節(jié)能解決方案，適用于各種氣候帶。以典型的中高層公寓為例，應(yīng)用該彩色低輻射涂料可實現(xiàn)采暖、通風(fēng)、空調(diào)正向節(jié)能，節(jié)能量可達(dá)27.24 MJ/m²/y(節(jié)能率7.4%)。此外，涂料的多功能性，以及它對各種形狀和材料的不同表面的適用性，使涂料在各種場景中廣泛使用，包括建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸和存儲。

相關(guān)工作以《Colorful low-emissivity paints for space heating and cooling energy savings》為題在《PNAS》上發(fā)表論文。

圖文導(dǎo)讀

圖1 設(shè)計原理示意圖及樣品展示

為了提供一種通用的節(jié)能解決方案，本文提出了一類彩色低輻射涂料作為傳統(tǒng)涂料的替代品。它們對各種形狀和材料的表面具有很高的安裝靈活性。此外，它們是多功能的，適用于各種應(yīng)用場景，包括建筑，運(yùn)輸，儲存和包裝。

該涂料不僅滿足了傳統(tǒng)涂料的基本功能，而且減少了熱輻射交換，節(jié)省了加熱或冷卻能源。以建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為例，如圖1A所示，這些涂料被設(shè)計用于在圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面(如墻壁和屋頂)上形成涂層，以幫助防止與位于中紅外(MIR)波長范圍(主要為7至14微米)的周圍環(huán)境的熱輻射交換。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，作者設(shè)想了一種具有理想光學(xué)性能的雙層涂層結(jié)構(gòu)，可以通過噴涂方法方便地制備(圖1B)。作者設(shè)計了紅外反射層作為底層，以產(chǎn)生高紅外反射率，從而通過顯著減少M(fèi)IR熱輻射吸收和發(fā)射來抵抗熱增益和損失。此外，它還減少了來自太陽的近紅外熱增益。頂層作為紅外透明顏色層，選擇性地反射所需的可見顏色，但允許紅外輻射的高透射，以保持底層的高紅外反射率。因此，作者開發(fā)了兩組可以容易地用于形成所提議的雙層涂層的涂料。紅外反射鋁(Al)微片(MF)涂料，可以創(chuàng)建熱反射涂層配制(圖1 C和D)。

基于無機(jī)納米顆粒的紅外透明彩色涂料被配制成各種顏色用于彩色頂層涂層。普魯士藍(lán)(PB)、氧化鐵(Fe₂O₃)、針鐵礦(α-FeOOH)和氧化鋅(ZnO)被用來產(chǎn)生原色(分別為藍(lán)色、紅色、黃色和白色)，通過混合可以產(chǎn)生其他顏色。結(jié)合上述兩組涂料的彩色low-e涂料是傳統(tǒng)涂料的適當(dāng)替代品。它們不僅保持美觀效果，還提供額外的隔熱。各種顏色的圖形圖案可以很容易地創(chuàng)建。圖1E展示了制造過程的照片和使用該涂料解決方案獲得的雙層結(jié)構(gòu)的斯坦福標(biāo)志，這表明它們可以成為傳統(tǒng)涂料的有希望的替代品。

圖2 形貌和光學(xué)特性表征

采用低成本的微尺寸Al片(橫向尺寸為數(shù)十微米)作為底層熱反射漆的功能成分。它們分散在二元溶劑體系(對二甲苯和二氯甲烷)中，溶解的丁腈橡膠-尿素(NBR-U)作為聚合物粘合劑。Al MF涂層表面形貌的SEM圖像(圖2A)顯示，其具有大寬高比和表面活性劑修飾的表面易于聚集和定向，組裝成致密光滑的表面。該Al MF涂層的MIR反射率約為85%(圖2D)，這是Al顆粒類型、溶劑和聚合物粘結(jié)劑的選擇及其配比優(yōu)化的綜合結(jié)果。

為了在著色的同時保持鋁MF涂層的紅外反射率，選用無機(jī)紅外透明納米粒子作為顏料，制備了彩色的紅外透明涂料。一種或多種無機(jī)紅外透明納米粒子顏料分散在NBR-U(粘合劑)-丙酮(溶劑)體系中。通過噴涂的方法，將納米顆粒分散在取向鋁納米材料的表面(圖2B)。圖2C顯示了典型的雙層彩色(紅色)low-e涂層截面的SEM圖像。厚度約為5~10微米的Al MF層和厚度僅為幾微米的顏色層的組合足以產(chǎn)生表觀顏色和相當(dāng)高的MIR反射率。將不同顏色的BLCs表示為“顏色”-BLC，如藍(lán)色BLCs。

圖2D展示了用FTIR光譜儀測得的MIR總反射率。在玻璃基底上，Al MF涂層的普通底層的反射率約為85%，相當(dāng)于~0.15的發(fā)射率。由于聚合物粘結(jié)劑不可避免的熱吸收和多孔形態(tài)的影響，添加頂部顏色層降低了MIR的總反射率，但MIR的總反射率仍可達(dá)到~80%。此外，作者使用UV-Vis-NIR光譜儀測量了這些彩色低發(fā)射率涂層在可見光和近紅外波長范圍內(nèi)的總反射率。如圖2E所示，單層純鋁中頻涂層在整個可見光和近紅外波長范圍內(nèi)的反射率為~80%；在原色中，雙層涂層在近紅外波長范圍內(nèi)的反射率為65%~75%，而在藍(lán)色、紅色和黃色中則顯示出不同的主反射可見光波長。

圖3 實際應(yīng)用可行性評估

此外，通過表征表面性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，驗證了實際應(yīng)用的可行性。首先，測量了純Al MF涂層和雙層涂層的水接觸角。如圖3A所示，涂層的平均水接觸角為118°。這種良好的疏水性表明涂層排斥水，這可能提高其在潮濕環(huán)境中的穩(wěn)定性。

為了評估涂層在不同環(huán)境下的耐久性，將涂層樣品在高溫(80℃)、低溫(液氮)、酸(硫酸，pH = 4)和堿(氫氧化鉀，pH = 10)中連續(xù)保存一周。通過測量MIR光譜，并觀察每次測試前后樣品的視覺外觀。在高溫和低溫測試后，MIR光譜沒有受到影響(圖3B)，實物照片表明涂層的外觀保持完整。暴露于酸和堿后，涂層樣品的MIR光譜和外觀也保持良好(圖3C)。這些結(jié)果說明了雙層涂層具有良好的環(huán)境耐久性。

此外，通過圖3D插入部分所示的測試來驗證色牢度，其中通過連續(xù)水流沖洗涂層并測量樣品質(zhì)量。如圖3D所示，在測試過程中，樣品質(zhì)量幾乎沒有變化，這表明顆粒/薄片之間具有良好的粘附性，可以防止顏色褪色。此外，涂層表面可以很容易地通過濕紙巾或水沖洗清潔(圖3E)。該涂料也是通用的，可以應(yīng)用于各種形狀和材料的各種表面(圖3F)，在許多不同的場景中作為額外的熱隔層。

圖4 人工冷/熱環(huán)境下的隔熱演示

然后，作者對涂層隔熱效果中的熱性能進(jìn)行了研究。作者使用了模擬建筑，每個模擬建筑都安裝了一個能夠產(chǎn)生熱量的插入式電加熱器。這些模擬物的外表面分別以四種方式之一進(jìn)行處理：未改性、涂覆商業(yè)藍(lán)色涂料、涂覆單層普通Al MF涂層或涂覆藍(lán)色BLC(圖4A)。

如圖4B所示，作者測量了在寒冷環(huán)境(5°C)下，加熱器所需的功率密度，以抵抗熱損失并保持建筑物模擬物內(nèi)部溫度恒定在25°C(通過建筑物模擬物中插入的熱電偶測量)。對于不同的涂層樣品，加熱器和熱電偶的位置在每個建筑模擬物中都是相同的，以便進(jìn)行平行比較。與空白建筑模擬材料和商用藍(lán)色涂料相比，普通Al MF涂料和藍(lán)色BLC均可顯著降低加熱器功率密度需求(圖4C)。與商用藍(lán)色涂料相比，藍(lán)色BLC將所需的加熱器功率密度降低了約36%，從而驗證了其在減少與周圍環(huán)境的熱交換和建筑節(jié)能方面具有巨大潛力。

白色BLC有望提供與Al MF涂料相似的隔熱效果，同時它可以確保與商用白涂料相同的美學(xué)效果。為了證明它們的耐熱性能，首先進(jìn)行了當(dāng)樣品放入熱環(huán)境后，升高內(nèi)部溫度。與商用白色涂料相比，普通Al MF涂料和白色BLC均導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高慢得多，如圖4E所示。驗證了該涂料的高熱反射率能有效地減輕環(huán)境的輻射熱增益。

此外，作者還進(jìn)行了測試，以表征冷鏈運(yùn)輸過程中通常使用的相變材料的質(zhì)量變化。選擇冰塊作為相變材料的代表，并在相同的高溫環(huán)境下儲存在貨箱內(nèi)(圖4F)。圖4F顯示了測量到的冰塊質(zhì)量，圖4G顯示了40分鐘測試周期前后的冰塊照片。結(jié)果表明，普通Al MF涂層和白色BLC均能顯著減緩冰的融化速度，降幅約為20.8%。在測試結(jié)束時，使用low-e涂料的貨箱內(nèi)的冰塊質(zhì)量大約是使用商用白色涂料的貨箱的兩倍。這表明該涂料在運(yùn)輸過程中可以節(jié)省大量的冷卻能量或維持相變材料溫度。

圖5 一個典型的中層公寓建筑的節(jié)能計算地圖

此外，作者利用商業(yè)化的建筑能源模擬軟件EnergyPlus(版本9.5)來計算如果在墻壁和屋頂上使用彩色low-e涂料，典型的中層公寓樓每年可以節(jié)省多少暖通空調(diào)能源。以美國不同氣候帶的城市為研究對象，利用典型氣象年(TMY3)每個地點每小時的天氣數(shù)據(jù)作為外部天氣條件，綜合考慮溫度、相對濕度、風(fēng)向和風(fēng)速、太陽輻射等。暖通空調(diào)節(jié)能包括采暖節(jié)能、制冷節(jié)能和風(fēng)機(jī)節(jié)能。

如圖5A所示，通過安裝彩色low-e涂料，可以幫助減少寒冷天氣室內(nèi)環(huán)境的熱量損失，實現(xiàn)普遍的供暖節(jié)能。年采暖節(jié)能值從0.102 MJ/m²/y(夏威夷科納)到21.07 MJ/m²/y(亞利桑那州溫斯洛)不等，這不僅受當(dāng)?shù)靥鞖獾挠绊?，還受建筑保溫條件的影響。一般來說，對于寒冷氣候地區(qū)和保溫較少的建筑，采暖節(jié)能效果更為明顯。在模擬中，在最冷的氣候區(qū)(阿拉斯加)沒有觀察到最大的供暖節(jié)能，這可能是因為該地區(qū)原有的建筑隔熱已經(jīng)是最好的。對于制冷節(jié)能(圖5B)，它表明該涂料應(yīng)用在炎熱氣候地區(qū)的隔熱程度較低的建筑物上表現(xiàn)出更顯著的效果。

風(fēng)扇負(fù)責(zé)在整個建筑物內(nèi)循環(huán)空氣，通常與冷卻和加熱系統(tǒng)一起使用，幫助在整個建筑物內(nèi)分配冷卻和加熱空氣。安裝low-e涂料可使風(fēng)機(jī)節(jié)能高達(dá)3.90 MJ/m²/y，這在炎熱氣候地區(qū)也更為明顯(圖5C)?？傮w而言，通過安裝該材料，可以在整個美國實現(xiàn)積極的暖通空調(diào)節(jié)能。如圖5D所示，每年最多可節(jié)約27.24 MJ/m²/y的能源(對應(yīng)于7.4%的節(jié)電率)，節(jié)能效果在全國范圍內(nèi)是普遍的，可以節(jié)省大量的電力和天然氣，從而減少溫室氣體的排放。

文獻(xiàn)信息

Colorful low-emissivity paints for space heating and cooling energy savings，PNAS，2023.

https:/www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2300856120

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