通过凝胶诱导相分离技术，将高岭土颗粒与多孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）复合而成的具有成本效益的被动日间辐射冷却薄膜

《Progress in Organic Coatings》：Cost-effective passive daytime radiative cooling films of kaolinite clay particles composited with porous PMMA by gelation-induced phase separation

被动式白天辐射冷却材料通过多孔PMMA与氟化高岭土复合实现，采用凝胶诱导相分离法制备孔隙结构，降低太阳反射率至94%，中红外发射率达0.88，户外实测降温5.6℃，适用于低成本环保空调外机散热。

　　被动日间辐射冷却（Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC）是一种在不依赖外部能源输入的情况下实现降温的策略，近年来因其在降低能源消耗和减少温室气体排放方面的潜力而受到广泛关注。随着全球变暖和气候变化问题日益严重，人们对高效、可持续的冷却系统的需求也不断增长。传统冷却技术通常依赖化石燃料，这不仅增加了能源成本，还导致了温室气体的排放，从而加速全球温度上升，对人类健康、生活舒适度和环境稳定性构成了威胁。因此，开发高效且环保的替代冷却方案变得尤为重要。PDRC作为一种被动冷却技术，因其能够在白天反射太阳辐射的同时，通过中红外波段（8–13 μm）的“大气窗口”发射热辐射而备受关注。这种技术的核心在于如何最大化太阳光的反射率并优化热辐射的发射效率，从而实现高效的降温效果。

在实现PDRC的过程中，材料的选择和结构设计起着关键作用。反射太阳光通常需要在聚合物基质中引入具有高反射率的材料，如微孔或粒子。微孔结构可以通过多种方法生成，其中一种常见的方式是通过非溶剂诱导相分离（NIPS）技术。该技术通过将聚合物溶液暴露于非溶剂中，促使溶液发生自发的相分离，从而形成层级化的微孔/纳米孔结构。这种方法虽然能够实现大面积、可扩展的薄膜制备，但其在控制孔隙形态方面存在一定的局限性，且需要精确的溶剂与非溶剂组合，同时还会产生额外的液体废弃物，这对环境和可持续性提出了挑战。另一种方法是采用牺牲粒子模板，通过在聚合物基质中嵌入特定的粒子（如二氧化硅）并随后去除这些粒子来形成孔隙。这种方法能够实现对孔隙尺寸和分布的精确控制，但其工艺流程较为复杂，且在去除过程中若不彻底，可能会影响光学性能。

除了孔隙结构，嵌入聚合物基质中的粒子同样能够显著增强太阳光的反射能力。许多无机填料（如氧化铝、二氧化硅、碳酸钙等）具有较高的折射率（约为1.5–1.8），而聚合物的折射率通常较低（约为1.3–1.5）。这种折射率的差异会导致入射太阳光发生米氏散射（Mie scattering），其中部分散射光被反射回光源方向，从而提升材料的整体反射率。此外，许多氧化物填料在中红外波段具有特定的声子共振模式，能够有效增强热辐射的发射效率。然而，这些高性能填料往往成本较高，且在大规模应用时存在经济可行性问题。

因此，研究人员开始探索成本低廉、性能优良且易于大规模制备的替代材料。在这一背景下，本文提出了一种基于层状硅酸盐矿物——高岭石（kaolinite）的PDRC材料设计。高岭石是一种天然存在的粘土矿物，具有六边形板状结构，且其主要成分是铝硅酸盐。由于其特殊的物理化学性质，高岭石在反射太阳光和发射中红外热辐射方面表现出良好的性能。然而，高岭石本身在近红外波段具有较强的吸收能力，这会降低其在太阳光反射方面的效率。为了解决这一问题，研究团队对高岭石进行了氟化处理，使用氟化十八烷基三氯硅烷（PFOTS）对其进行表面改性。这种处理不仅提高了高岭石的疏水性，还赋予其自清洁能力，从而提升了材料在实际应用中的稳定性与耐用性。

在本研究中，高岭石被成功地与多孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）复合，形成了一种具有高太阳反射率（约94%）和中红外发射率（约0.88）的复合薄膜。这种复合薄膜的制备采用了物理凝胶诱导相分离的方法，通过将PMMA/甲苯溶液夹在已固化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）板之间，实现了一种简单且直接的制备过程。这种方法避免了传统技术中对非溶剂的依赖，也不需要额外的去除步骤，从而减少了环境负担，提高了工艺的可持续性。同时，多孔结构的引入增强了材料对太阳光的反射能力，而高岭石的板状结构则进一步优化了光的散射行为，使得反射光能够更有效地被反射回光源方向，从而显著提升了整体反射率。

此外，高岭石在中红外波段的吸收特性为其热辐射发射提供了额外的贡献。在复合结构中，高岭石的声子共振模式与PMMA的中红外发射特性相结合，形成了更高效的热辐射路径。这种协同效应使得复合薄膜能够在白天实现显著的降温效果。在实验测试中，该复合薄膜在阳光照射下能够将表面温度降低约5°C，相较于环境温度。而在实际应用测试中，当该复合薄膜被用于空调室外机表面时，其降温效果进一步提升至约5.6°C。这一结果表明，该材料不仅在实验室条件下表现出优异的性能，而且在实际应用中也具有良好的适应性。

高岭石作为一种天然资源，其来源广泛且成本低廉（每千克不足1美元），这为该材料的大规模生产和应用提供了经济上的可行性。结合多孔PMMA的结构优势，这种复合材料不仅能够实现高效的太阳反射和中红外发射，还具备良好的环境适应性。例如，其疏水性和自清洁能力使其在潮湿或污染环境中仍能保持较高的反射率和发射率，从而确保其在各种实际场景下的稳定性能。此外，该材料的制备过程简单，无需复杂的设备或精细的工艺控制，这为其实现工业化生产奠定了基础。

从材料科学的角度来看，这种复合薄膜的设计体现了多学科交叉融合的创新思路。它不仅结合了高岭石的物理化学特性，还利用了多孔PMMA的光学性能，实现了功能材料的协同效应。这种设计思路为未来开发新型PDRC材料提供了重要的参考。通过优化材料的组成和结构，研究人员可以进一步提升PDRC材料的性能，使其在建筑、纺织、电子设备等多个领域发挥更大的作用。同时，该研究也为实现可持续冷却技术提供了新的方向，即在不依赖外部能源输入的情况下，利用自然材料和简单工艺实现高效的降温效果。

从应用角度来看，PDRC技术在建筑隔热、户外设备降温、服装材料等领域具有广阔的应用前景。例如，在建筑领域，PDRC材料可以被用于窗户、屋顶或墙体表面，以减少空调系统的能耗。在户外设备中，如空调室外机、太阳能板或交通工具的外壳，PDRC材料能够有效降低表面温度，从而提高设备的运行效率和使用寿命。此外，在纺织领域，PDRC材料可以被用于制作高性能的衣物，以增强人体在高温环境下的舒适度。这些应用场景表明，PDRC技术不仅能够满足当前对高效冷却的需求，还能够为实现节能减排目标提供切实可行的解决方案。

在环境可持续性方面，PDRC技术的优势尤为突出。由于其无需外部能源输入，因此可以显著减少对传统电力和化石燃料的依赖，降低碳排放和能源消耗。此外，该技术的材料选择和制备过程均强调环保和可再生性。例如，高岭石作为天然矿物，其开采和使用对环境的影响相对较小，而多孔PMMA的制备则采用了一种无需非溶剂的物理凝胶诱导相分离方法，减少了化学品的使用和废弃物的产生。这种绿色制备方式与PDRC技术本身的目标高度契合，即在实现降温效果的同时，最大限度地减少对环境的负面影响。

然而，PDRC技术在实际应用中仍面临一些挑战。首先，如何进一步提高材料的反射率和发射率，以实现更高效的降温效果，是当前研究的一个重要方向。其次，材料的长期稳定性和耐久性需要得到充分验证，尤其是在高温、高湿或污染严重的环境中。此外，如何实现材料的可大规模生产和低成本制造，也是推动PDRC技术商业化应用的关键因素。因此，未来的研究需要在材料优化、工艺改进和环境适应性等方面持续探索，以确保PDRC技术能够广泛应用于各个领域。

总的来说，PDRC技术为解决当前冷却系统面临的高能耗和高排放问题提供了一种创新性的解决方案。通过合理设计材料的结构和性能，研究人员能够开发出高效、环保且经济可行的冷却材料。本文提出的高岭石/多孔PMMA复合薄膜正是这一技术发展的一个重要进展。它不仅在实验室条件下表现出优异的性能，而且在实际应用中也展现了良好的适应性。未来，随着材料科学和工程技术的不断进步，PDRC技术有望成为实现可持续降温的重要手段，为全球应对气候变化和能源危机提供新的思路和解决方案。