用于耐久性被动日间辐射冷却纺织品的水性TiO?/SiO?双填料涂层

《Progress in Organic Coatings》：Waterborne TiO 2/SiO 2 dual-filler coating for durable passive daytime radiative cooling textiles

　　水基TiO?/SiO?/OSSP涂层实现可规模化辐射冷却纺织品。水基加工与工业填料降低了环境影响和成本。TiO?/SiO?/OSSP光谱调控实现了91.3%反射率和91.6%发射率。该涂层实现12.21 °C降温，并具有强附着力和紫外耐久性。引言随着全球气候变暖加剧，城市热岛效应日益显著，建筑与工业领域的制冷需求持续攀升，开发高效、低能耗、可持续的绿色热管理技术已成为当今能源与环境领域的关键研究重点[1], [2]。尽管传统的蒸汽压缩式空调能够满足制冷需求，但其高耗电量以及氟利昂等制冷剂的使用——制冷剂泄漏会进一步加剧温室效应——对环境造成了持续伤害[3]。在此背景下，PDRC技术无需任何外部能量输入即可实现持续制冷，近年来逐渐引起全球学术界和工业界的广泛关注[4]。其基本原理是调控材料的光谱特性，使其在太阳辐射波段（0.3–2.5 μm）保持高太阳反射率以最大限度地减少太阳得热，同时在大气透明窗口（8–13 μm）内表现出高红外发射率，从而通过长波红外辐射将自身热量辐射至约3 K的外太空，实现低于环境温度的被动制冷[5]。近年来，大量研究致力于PDRC材料的设计与制备[6]。早期工作主要集中于精密光学结构，如光子晶体、超材料以及金属/绝缘体多层膜[7]。例如，此前报道的七层纳米光子发射器可实现低于环境温度4.9 °C的冷却效果，由二氧化硅微球组装而成的聚合物复合膜也展现出良好的日间辐射冷却性能[8], [9], [10]。然而，这些材料大多需要高真空沉积和微纳光刻等复杂工艺，对设备要求高、加工精度要求高，且生产成本相对较高[11]；同时在大面积连续制造以及柔性织物或复杂建筑表面应用方面也存在局限性[12]。近期，研究重点逐渐转向由聚合物基体掺杂无机散射颗粒组成的辐射冷却涂层体系。与精密光学结构相比，此类涂层制备更简单、成本更低、柔韧性好，且可利用刮涂和喷涂等成熟技术实现规模化生产[13], [14], [15], [16], [17]，在建筑节能、柔性纺织品和室外热管理方面展现出巨大的应用潜力[18], [19], [20], [21], [22]。尽管聚合物基辐射冷却涂层取得了显著进展，但在实际应用中仍面临若干挑战。一方面，这些材料的光谱调控能力仍有提升空间[23]。传统辐射冷却涂层通常采用单一散射颗粒——如TiO?——作为功能填料。虽然其高折射率能增强可见光区的散射，但在紫外区仍存在一定吸收，且在中红外大气窗口内的发射能力相当有限，难以同时实现高太阳反射率和高中红外发射率[24]。另一方面，柔性基材与涂层之间的界面稳定性往往不足[25]。例如，聚偏氟乙烯（PVDF）和氟碳树脂虽然具有良好的耐候性，但表面能低、柔韧性受限；当应用于织物等柔性基材时，在应力集中下容易开裂、粉化或剥落，影响长期性能[26]。此外，目前大多数高性能辐射冷却涂层仍使用N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二甲基甲酰胺（DMF）[27]或丙酮等有机溶剂制备，这不仅增加了环境负担[28]，也违背了绿色制造和低碳发展的理念[29]。因此，开发一种同时兼具优异光谱调控、牢固界面附着和环境友好性的水基辐射冷却涂层体系，已成为该领域亟待解决的研究方向[30], [31], [32]。为解决上述问题，本研究设计并制备了一种低成本、环保型的水基双填料辐射冷却涂层织物。以有机硅改性苯乙烯-丙烯酸聚合物乳液为成膜基体，构建了水基辐射冷却涂层体系。在保证良好成膜性能的同时，该方法避免了传统有机溶剂的使用，有助于减少挥发性有机化合物（VOC）排放，更符合绿色制造的要求[33]。同时，提出了两种无机填料协同调控光谱性能的设计策略[34], [54]。利用具有强米氏散射能力的金红石型TiO?[35]提升太阳反射率，使样品的加权平均太阳反射率达到91.3%。引入亲水性纳米二氧化硅（SiO?），利用Si-O-Si键在8–13 μm大气窗口内的声子-极化激元共振增强中红外发射率，样品平均发射率达到91.6%。此外，采用硅烷偶联剂改善无机填料与聚合物基体之间的界面相容性，提高复合体系的稳定性和附着力，进一步增强涂层在柔性聚酯基材上的可靠性[36]。所制备的复合辐射冷却织物不仅具有出色的光谱选择性和被动冷却性能，还展现出良好的耐候性和界面稳定性，为柔性热管理纺织品和建筑节能材料的开发提供了新的设计理念和实验参考[37], [38], [39]。章节摘录实验材料分散剂，上海维塔化学试剂有限公司；消泡剂，上海维塔化学试剂有限公司；硅烷偶联剂，上海维塔化学试剂有限公司；有机硅改性苯乙烯-丙烯酸聚合物乳液，肇庆新广利化工有限公司；金红石型二氧化钛，粒径：0.2 μm–0.3 μm，河南通盛化工有限公司；亲水性二氧化硅，粒径：3 μm，陵水县凯耀矿产品加工厂；去离子水；表面微观形貌为了更深入地了解涂层的微观结构和化学成分分布，采用场发射扫描电子显微镜（SEM）表征了原始聚酯基布和两种代表性涂层样品PF-1和PF-5的表面形貌（图3(A)）[40]。原始聚酯织物（图3(A)，a）的纤维表面相对光滑，具有明显的纵向沟槽，形成疏松多孔的网络结构。一旦结论本研究成功开发了一种水基、环保型SiO?/TiO?/OSSP双填料协同辐射冷却涂层织物，有效解决了传统PDRC涂层的核心技术瓶颈——即严重依赖有机溶剂、光谱调控不均衡以及对柔性纺织基材附着力差的问题。通过将SiO?:TiO?质量比优化为2:3，复合涂层织物实现了出色的光学协同效应，太阳反射率达到CRediT作者贡献声明李大为：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，验证，方法学，调查，数据管理。袁中元：调查。陈星伟：调查。智超：写作 – 审阅与编辑，调查。陆宏斌：调查。张伟：调查。傅一军：写作 – 审阅与编辑，监督，软件，资源，概念化。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作得到江苏省高校自然科学研究重大项目（24KJA540002）资助。作者还感谢江苏省科协青年科技人才托举工程（JSTJ-2024-045）、海安先进纺织研究院概念验证项目（No. 2025GNYZ002）以及功能纺织材料与产品重点实验室（西安工程大学）、教育部项目（