超白弹性体涂层用于日间辐射冷却

《Advanced Materials Technologies》：Ultra-White Elastomeric Coatings for Daytime Radiative Cooling

　　

弹性体涂层（elastomeric coatings）通常需要具有超过100%的伸长率以用于冷却屋顶系统，但由于TiO₂颜料中的紫外线（UV）吸收和传统粘合剂中的近红外（NIR）吸收，其太阳反射率低于90%，从而阻碍了日间亚环境辐射冷却（sub-ambient daytime radiative cooling）。在此，研究人员报告了一种高弹性辐射冷却涂层，通过将宽禁带颜料（BaSO₄、CaCO₃、hBN）与低吸收率硅弹性体粘合剂（silicone elastomer binder）相结合，克服了这些限制。该设计最小化了太阳吸收，同时在高颜料体积分数下保持了可拉伸性。基于BaSO₄、CaCO₃和hBN的弹性体涂层实现了95.3%、94.6%和93%的高太阳反射率，以及所有弹性体0.956±0.010的强天空窗口发射率（sky window emissivity），分别实现了1.9°C、2.1°C和1.3°C的日间亚环境冷却。所有配方均表现出>100%的伸长率，弹性模量分别为6.72、0.126和3.026 MPa。硅基体赋予了显著表面疏水性，水接触角高达153.9°，并且与UV稳定填料结合，在加速UV老化后保持了高太阳反射率，证实了强UV耐久性。这项工作建立了一种可扩展的辐射冷却弹性体涂层方法，使得在需要机械拉伸性的应用中实现亚环境性能成为可能。

**论文解读：超白弹性体涂层用于日间辐射冷却**

**研究背景与问题**

辐射冷却技术通过反射太阳辐射（0.25–2.5 μm）并同时透过大气窗口（8–13 μm）向寒冷深空发射热量，无需能量输入即可实现被动冷却，具有应对气候变化、降低能源成本和缓解太阳热负荷的潜力。现有涂层材料如TiO₂基白色涂料，虽被用于日间冷却，但其紫外（UV）吸收源于TiO₂的中等禁带宽度，导致太阳反射率低于90%，无法独立实现日间亚环境冷却。此外，近红外（NIR）波段散射效率不足也是限制因素。近年来，基于宽禁带颜料（如BaSO₄、CaCO₃、hBN）的丙烯酸涂料已实现单层无金属日间亚环境冷却，但这类材料缺乏弹性，无法适应表面膨胀或振动（如金属屋顶涂层）等应用需求。商业弹性体涂层虽具备>100%伸长率，但通常使用TiO₂颜料，性能受限于UV吸收。因此，亟需开发一种兼具高弹性、日间辐射冷却能力和良好耐久性的自粘弹性涂层。

**研究内容与结论**

研究人员将宽禁带颜料（BaSO₄、CaCO₃、hBN）与低吸收率硅弹性体粘合剂结合，制备了单层超白弹性体涂层（SECs）。该设计通过高透明、UV稳定的硅基体（聚二甲基硅氧烷，PDMS）和高效润湿剂（DISPERBYK-180）实现颜料与基体的良好界面结合，同时利用结构气孔增强散射。所得BaSO₄、CaCO₃和hBN弹性体涂层分别达到95.3%、94.6%和93%的总太阳反射率，以及0.956±0.010的强天空窗口发射率，实现日间亚环境冷却1.9°C、2.1°C和1.3°C。所有配方伸长率>100%，弹性模量分别为6.72、0.126和3.026 MPa。硅基体赋予水接触角高达153.9°的疏水性，且经加速UV老化（ISO 11341）后太阳反射率变化极小，证实UV耐久性。该工作建立了一种可扩展的弹性辐射冷却涂层方法，为需要机械拉伸性的应用（如金属屋顶）提供了亚环境冷却性能。论文发表在《Advanced Materials Technologies》。

**关键技术方法**

研究人员采用硅弹性体（PDMS-OH，分子量≥49000 g mol^-1）作为粘合剂，PDMS油（50 cSt或10000 cSt）作为增塑剂，以八甲基环四硅氧烷（D4）作为VOC豁免溶剂，DISPERBYK-180作为润湿剂，四乙氧基硅烷（TEOS）和氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）作为交联剂和附着力促进剂，二月桂酸二丁基锡（DBTDL）作为催化剂。将宽禁带颜料（BaSO₄纳米颗粒、CaCO₃鳞片状颗粒、hBN纳米片）以不同重量百分比（43%、29%、15.8%）混合，得到固体体积浓度约50%、45%、40%。通过SEM表征微观结构；使用Perkin Elmer Lambda 950 UV-VIS-NIR光谱仪（配备积分球）和Nicolet iS50 FTIR光谱仪（配备PIKE积分球）测量光学性能；按ISO 11341进行加速UV老化（Q-SUN XE-3-HC，320-360 nm，100和200 h）；使用Ramé-Hart Goniometer测量水接触角（5 μL液滴）；于2025年2月25日在西拉斐特（40.4237°N, 86.9212°W）进行户外冷却性能测试，样品涂覆于0.6 mm厚铝板，T型热电偶监测温度，聚乙烯薄膜屏蔽对流；使用ADMET万能机械测试机按ASTM D412进行拉伸测试（50.8 cm min^-1分离速率）。

**研究结果**

**3.1 光学与热性能**：通过光谱反射率测量，超白弹性体在太阳光谱（UV-VIS-NIR）段表现出高反射率，而商业TiO₂基弹性体因吸收而性能较差。BaSO₄、CaCO₃和hBN弹性体在700±30、1000±50和150±15 μm厚度下总太阳反射率分别为95.3%、94.6%和93%（商业产品为86%）。所有超白弹性体在8–13 μm窗口发射率约为0.956±0.01，其中hBN弹性体发射率较之前研究显著提升，归因于更高的聚合物体积浓度。加速UV老化（200 h）后，太阳反射率变化极小，证实UV稳定性。

**3.2 表面疏水性**：水接触角测量显示，BaSO₄、CaCO₃和hBN弹性体分别为137°、153.9°和143.8°，商业产品仅约50°。CaCO₃和hBN填料的非均匀堆积（鳞片状和片状形貌）增强了表面粗糙度，结合硅基体的低表面能，实现了Cassie-Baxter非润湿状态。

**3.3 现场测试与冷却性能**：户外测试（2025年2月25日，10:30 AM–3:00 PM，太阳辐照度峰值745 W m^-2）显示，BaSO₄、CaCO₃和hBN弹性体平均温度低于环境温度1.9°C、2.1°C和1.3°C，而商业弹性体高于环境温度1.15°C。超白弹性体比商业涂层平均低2.5–3.25°C。冷却性能随相对湿度降低和风速减小而改善。理论净辐射冷却功率计算（能量平衡分析）分别为108.4、102.4和88.7 W m^-2。

**3.4 机械/弹性性能**：拉伸测试表明，使用分子量≥49000 g mol^-1的PDMS-OH可实现>100%伸长率。DISPERBYK-180润湿剂通过有效界面结合提高拉伸强度和伸长率。使用低分子量PDMS油（50 cSt）可增加BaSO₄和hBN弹性体的拉伸强度而不降低伸长率，但CaCO₃弹性体仅伸长率提高。弹性模量分别为6.72、0.126、3.026 MPa（商业产品0.901 MPa）。BaSO₄和hBN弹性体模量较高但屈服点应变约2%，拉伸强度低于商业产品。

**总结与讨论**

本研究受现有超白辐射冷却涂料和TiO₂基商业弹性体涂层系统的启发，成功开发了高弹性涂层，适用于动态基底，同时实现日间亚环境冷却和疏水性。通过利用高透明、UV稳定的硅基体，BaSO₄、CaCO₃和hBN超白弹性体分别显示95.3%、94.6%和93%的总太阳反射率，以及所有弹性体0.956±0.010的强天空窗口发射率，结果导致平均亚环境温度分别为1.9°C、2.1°C和1.3°C。它们的水接触角分别为137°、153.9°和143.8°，突出优异的表面疏水性。通过使用有效润湿剂和高分子量硅酮，实现了>100%的伸长能力，弹性模量分别为6.72、0.126和3.026 MPa。所得材料成分已显示出整合多种特性（增强弹性行为、日间冷却和疏水性）的能力，全部在VOC豁免材料成分中。该工作为需要机械拉伸性的应用（如金属屋顶涂层）提供了可扩展的解决方案，填补了现有辐射冷却材料在弹性性能方面的空白。