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南工大材料學院《Compos. Part A》:具有機械穩健性能的超疏水型多層被動降溫復合材料
2023-12-07  來源:高分子科技

  制冷降溫設備的大規模使用所產生的能源消耗已經成為當前社會能源過度消耗的重要來源,其產生的溫室氣體無疑會加劇全球的溫室效應及城市熱島效應并嚴重危害環境的生態平衡。研究被動降溫材料對于響應節能減排的理念有著重要意義。環境友好型被動降溫材料借助其優異的太陽光反射及紅外熱輻射的方式在零耗能的情況下減少外界熱量進入人們的生活環境可有效的降低建筑領域的能源消耗,結合被動降溫性質及屋頂卷材制備新型聚合物被動降溫復合材料有著重要的研究價值。被動降溫材料多用于戶外屋頂等建筑材料領域,空氣中灰塵及雨水的黏附會使得污染物沉積在材料表面影響外觀及降溫性能。戶外突變的環境易使試樣表面受到破壞繼而影響自清潔效果,設計制備具有機械耐久性的超疏水表面對于被動降溫材料在屋頂建筑的實際應用有著重要的意義。



  針對這一問題,南京工業大學材料科學與工程學院孫顥瑄博士為第一作者在復合材料期刊《Composites Part AApplied Science and Manufacturing》發表題為“Scalable-manufactured and mechanical-robust superhydrophobic hierarchical material toward self-cleaning passive cooling”的論文,該工作采用多層結構及功能設計制備具有機械耐久性的超疏水被動降溫材料,可滿足極端條件下戶外使用性能的保證。 


1 超疏水型被動降溫多層復合材料作用及組成示意圖


  以新一代建筑彈性體卷材PP/SEBS為基體,SEBS-g-MAH為連接劑于其表面制備了機械穩定性能的同時具有超疏水功能的環氧樹脂表層。借助環氧樹脂層優異的耐刮擦性能,探究了合適的環氧樹脂固化條件,并巧妙地將表面包覆有六甲基二硅氮烷的二氧化硅嵌入至樹脂基體,實現具有機械穩健性能的超疏水功能表面。 


2 試樣的超疏水性能及表面形貌圖:(a)試樣超疏水性能及具體成分示意簡圖,(b)水接觸角數據圖,(c)試樣表層(環氧-SiO2層)實現疏水效果的機理示意圖,(d)試樣表面形貌圖和(e)樣品形貌示意簡圖及對應接觸角


  該試樣表面可實現接觸角大小為160o的超疏水性能,并在砂紙刮擦循環測試60次后仍然基本保持不變,表現出了優異的機械穩定性能,有利于實現戶外極端環境下的應用性能。歸因于固化后的環氧樹脂將疏水型納米顆粒嵌入其中,刮擦后仍然保持有較低的表面張力。 


3 試樣機械穩定性測試:(a)機械耐久性測試示意圖、(bM/S-g-M(MT)/EP(SiO2)試樣經60個機械耐久性能循環測試前后表面形貌圖c)循環測試過程中M/S-g-M(MT)/EP(SiO2)試樣接觸角形態及數據圖、(d-e)液滴沖擊實驗測試


  因SEBS-g-MAH氫氧化鎂(MT填料之間的折光指數存在差異,根據Fresnel定律可知當光束照射到試樣時會發生光束的散射進而使得試樣表現出相應的反射效果。太陽光在反射層中光束傳播路徑見圖4,光束在粒子及SEBS涂層界面處發生散射及基材吸收行為。可以看出PP/SEBS基材在整個太陽光波段的反射率較低,并且對各個波長的反射率基本一致,因而表現出較為平直的曲線。在基材上方加入SEBS-g-MAHMT)涂層后在可見光及近紅外光波長范圍的反射率大幅度上升,由于SiO2粒子中Si-O及環氧基團在近紅外部分的吸收作用所影響,其總的太陽光反射率仍保持在了較高數值,具有較好的反射降溫效果。 


4 基材、M/S-g-M(MT)M/S-g-M(MT)/EP(SiO2)試樣太陽光反射及輻射性質分析:(a)試樣光學性能作用示意簡圖,(b)試樣組成及宏觀光路傳播圖示,(c)太陽光進入介質n1n2中散射及透過作用機理示意圖,(dAM1.5光譜和試樣的紫外光-可見光-近紅外光反射譜圖及(e)大氣透過窗口及試樣在2.5-25 μm范圍內的輻射率數據圖


  原文信息與鏈接:Haoxuan Sun, Fan Yang, Shuangjun Chen, Jun Zhang. Scalable-manufactured and mechanical-robust superhydrophobic hierarchical material toward self-cleaning passive cooling[J].Composites Part A2023, 175:107750.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107750

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(責任編輯:xu)
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