多孔聚二甲基硅氧烷輻射冷卻膜輻射冷卻實(shí)驗(yàn)研究

◇攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院 馬瑞華 何 琳

由于全球經(jīng)濟(jì)和城市的快速發(fā)展，能源消耗不斷增加，能源以及環(huán)境問題日益嚴(yán)峻。輻射冷卻是一個(gè)具有廣闊發(fā)展前景的領(lǐng)域，被動(dòng)日間輻射冷卻技術(shù)是一項(xiàng)不需要額外輸入電能實(shí)現(xiàn)冷卻的技術(shù)，具有環(huán)境友好、不消耗能源、無污染等特點(diǎn)。本工作制備了多孔聚二甲基硅氧烷輻射冷卻膜，并對其冷卻性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該實(shí)驗(yàn)薄膜不斷反射太陽能及輻射熱量向太空中產(chǎn)生制冷效果，在實(shí)驗(yàn)中輻射冷卻薄膜的溫度可以實(shí)現(xiàn)低于周圍環(huán)境空氣溫度5.1℃的效果，具有良好的制冷效果。

1 引言

隨著全球氣候變暖，人類對冷卻技術(shù)具有越來越大的需求。但是傳統(tǒng)的冷卻方式帶來了很大的負(fù)面影響，譬如臭氧空洞、溫室效應(yīng)、酸雨等環(huán)境問題[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)的冷卻方式消耗的電力占整個(gè)建筑電力負(fù)荷的40%-60%，對電網(wǎng)構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)[4-7]。為了改變傳統(tǒng)冷卻方式消耗大量的一次性能源以及帶來的諸多環(huán)境問題，亟需開發(fā)一種新的冷卻方式。被動(dòng)輻射冷卻作為一種綠色冷卻方式可以在沒有任何電力輸入和溫室氣體排放的情況下實(shí)現(xiàn)冷卻，可以有效的降低能源消耗以及幾乎不對環(huán)境產(chǎn)生任何影響，由于其對環(huán)境友好、低成本、零能耗而受到越來越多的關(guān)注[8-11]。

與夜間輻射冷卻技術(shù)不同，日間輻射冷卻技術(shù)具有一定的特殊性，它采用具有光譜特性的材料最大限度的減少太陽光（0.4-2.5μm）的吸收，同時(shí)在大氣傳輸窗口（8-13μm）具有很強(qiáng)的輻射特性，將熱量輻射到太空中，使物體溫度降低。國內(nèi)外一些學(xué)者對日間輻射開展了相關(guān)的研究，Raman等人[12]以硅片為基底，采用二氧化硅和二氧化鉿交替組成的7層結(jié)構(gòu)首次實(shí)現(xiàn)了日間輻射冷卻，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)測試具有約40W/m2的制冷功率。Yang[13]設(shè)計(jì)了一種以銀為基底的輻射冷卻結(jié)構(gòu)，經(jīng)測試這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)比空氣溫度低5℃。Li等人[14]對天然木材進(jìn)行脫木質(zhì)化等處理實(shí)現(xiàn)了日間輻射冷卻，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試該結(jié)構(gòu)在日間比周圍空氣溫度低4℃。張帥[15]等人以PMMA為基底，添加ZnO和ZrO2制作了復(fù)合薄膜，通過實(shí)驗(yàn)測試它對太陽能能的反射率達(dá)到97.7%，能實(shí)現(xiàn)低于周圍環(huán)境溫度3.5℃的效果。日間輻射冷卻要實(shí)現(xiàn)低于周圍環(huán)境的溫度所制作的薄膜須具有對太陽光較高的反射性能，同時(shí)也需要在大氣窗口具有較高的輻射率。本工作制作多孔聚二甲基硅氧烷輻射冷卻膜，探究了這種輻射冷卻膜的性能。

2 實(shí)驗(yàn)制備

2.1 材料

正己烷（含量≥97.0%，蒸發(fā)殘?jiān)?.0005%）購買自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；聚二甲基硅氧烷及固化劑購買自美國道康寧公司中國代理公司；去離子水（電導(dǎo)率為0.1us/cm）購買自中國睿?；に幚韽S。

2.2 制備流程

將正己烷和聚二甲基硅氧烷按5:1的質(zhì)量比進(jìn)行混合，并充分?jǐn)嚢?0分鐘進(jìn)行充分混合，然后分別將去離子水和聚二甲基硅氧烷固化劑加入混合物中，充分?jǐn)嚢?，然后將混合液均勻的涂在丙烯酸板上，在空氣中晾干。此后，將晾干的薄膜樣品放入烤箱中保持溫?5℃，持續(xù)烘干1小時(shí)，最終形成具有多孔的聚二甲基硅氧烷薄膜。聚二甲基硅氧烷薄膜是透明的，而多孔聚二甲基硅氧烷薄膜則是白色的，不透明的，這種薄膜具有高反射率，能最大限度的減少薄膜對太陽能的吸收。此外，多孔聚二甲基硅氧烷薄膜在大氣窗口（8-13μm）具有較高的輻射率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

日間輻射冷卻實(shí)驗(yàn)在攀枝花學(xué)院中進(jìn)行，多孔的聚二甲基硅氧烷薄膜在日間的測試結(jié)果如圖1、圖2所示，從圖中可以看出在測試時(shí)間9:48-11:41期間多孔聚二甲基硅氧烷輻射冷卻膜的溫度在同一時(shí)刻比周圍空氣的溫度要低，在時(shí)間為10:27時(shí)輻射冷卻膜的溫度比周圍空氣的溫度最大降低5.1℃。多孔聚二甲基硅氧烷輻射冷卻膜產(chǎn)生冷卻效果的原因主要是此種輻射膜具有較高的反射率，能將波長范圍為0.4-2.5μm的太陽光反射回天空中。此種薄膜是由平均直徑為2-4μm的纖維組成，無序的纖維交叉排列最終形成了眾多的微米級(jí)微孔，多孔聚二甲基硅氧烷輻射冷卻膜中分布的大量微孔結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了對太陽光的反射。多孔聚二甲基硅氧烷輻射薄膜在大氣窗口具有較高的輻射率，將薄膜周圍的熱量以紅外線的方式輻射到天空中，這使得多孔聚二甲基硅氧烷輻射薄膜處在具有太陽光照射的白天，仍能使薄膜周圍的溫度低于環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)日間冷卻的功能，起到了日間制冷器的作用。由此可見，本實(shí)驗(yàn)制備的孔聚二甲基硅氧烷輻射薄膜具有顯著的日間輻射制冷特性。

圖1 輻射冷卻膜測試結(jié)果

圖2 溫差變化

4 結(jié)束語

隨著全球一次能源的不斷枯竭，減少對現(xiàn)有能源的依賴具有重要意義。日間輻射冷卻技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，因其具有不消耗電力、無污染環(huán)境等優(yōu)勢成為研究的熱點(diǎn)。本工作依靠反射和熱輻射原理設(shè)計(jì)并制作了多孔的聚二甲基硅氧烷薄膜，有效的冷卻效果是由材料本身及多孔的納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu)造成。當(dāng)太陽光照射在多孔聚二甲基硅氧烷薄膜表面時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)提供了多個(gè)反射及輻射界面使得薄膜一方面反射太陽能，另一方面將薄膜周圍的熱量以紅外線的方式在大氣窗口進(jìn)行輻射。經(jīng)試驗(yàn)測得在白天時(shí)多孔聚二甲基硅氧烷薄膜溫度一直低于周圍空氣溫度，薄膜溫度低于周圍環(huán)境溫度的最大值為5.1℃，具有良好的冷卻效果，實(shí)現(xiàn)了日間輻射的功能。多孔聚二甲基硅氧烷薄膜具有制作容易、冷卻效果好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)此冷卻薄膜柔性強(qiáng)，容易與各種曲面進(jìn)行結(jié)合，可以廣泛應(yīng)用于各種場景進(jìn)行降溫，為能源管理提供了一種新方法。