超疏水辐射降温纳米纤维材料的制备及性能研究

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辐射降温技术通过反射0.3~2.5 μm波段范围内的太阳光,同时将材料自身的热量通过“大气透明窗口”波段(8~13μm)以热辐射的形式散发到寒冷的外太空来实现整个过程无污染、无能耗的自发降温。然而,当辐射降温材料用于户外时,其表面易受外界环境污染而使降温效果和使用寿命大幅度降低。因此,本课题选用具有高红外发射特性的低表面能聚合物和纳米粒子为原材料,通过静电纺丝、静电喷涂和喷枪喷涂相结合的方式构筑具有多孔网状纤维结构与微纳级粗糙表面的超疏水辐射降温纳米纤维薄膜材料,利用材料的高红外发射特性和高太阳光反射特性赋予薄膜辐射降温功能,利用其超疏水性能增强表面防污性从而提高辐射降温功能的户外应用稳定性,延长使用寿命。具体研究内容如下:(1)通过静电纺丝制备聚偏氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-HFP))纳米纤维膜,然后在其表面进行静电喷涂SiO2,得到内部由多孔网状纤维组成而表面具有微纳级粗糙结构的P(VDF-HFP)/SiO2超疏水辐射降温薄膜。采用扫描电子显微镜观察薄膜表面形貌;采用视频光学接触角测量仪(OCA)检测表面润湿性;采用紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)及傅里叶红外光谱仪(FTIR)检测太阳光反射率及中红外发射率。探索P(VDF-HFP)用量、混合溶剂配比、SiO2用量、静电纺丝电压、注射速率等对纤维膜表面微观形貌、润湿性以及光学性能的影响;考察纤维薄膜表面超疏水稳定性、辐射降温稳定性及自清洁性能对辐射降温稳定性的影响。结果表明,P(VDF-HFP)用量为18 wt.%、混合溶剂配比 DMF:Acetone=7:3、SiO2 用量为 5%(SiO2 占 P(VDF-HFP)的质量百分比)、静电纺丝电压为20 kV、注射速率为1.5 mL/h时制备的薄膜表面接触角可达156°,滚动角为2.2°,展现出优异的超疏水性能。薄膜在太阳光波段反射率高达98.5%,中红外波段发射率大于95%。在夏季强烈的阳光照射下,薄膜的平均温度比环境温度低达11.6℃。所制备的超疏水辐射降温纳米纤维膜经不同pH值水溶液浸渍5天,紫外光照10天后,表面接触角仍大于150°,经测试发现其降温效果与原始薄膜相差不大。此外,薄膜的自清洁效应对维持材料降温的稳定性有很重要的作用。(2)通过静电纺丝制备P(VDF-HFP)纳米纤维膜,然后在其表面喷涂高红外发射率的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和SiO2的复合液,形成具有微纳双阶结构的超疏水辐射降温P(VDF-HFP)-PDMS/SiO2(PH-PDMS/SiO2)复合薄膜,利用纤维网状结构和薄膜表面的粗糙结构产生的米氏散射使材料具有高太阳光反射率,利用PDMS的高弹性和柔韧性提高薄膜表面的耐磨性。考察PDMS和SiO2的质量比、喷涂面密度、厚度等对复合薄膜表面微观形貌、润湿性以及光学性能的影响;考察机械摩擦、酸/碱溶液浸渍、紫外光照等手段对复合薄膜表面超疏水稳定性及辐射降温稳定性的影响;考察自清洁性能对薄膜辐射降温稳定性的影响。结果表明,PDMS和SiO2的质量比为5:1、喷涂面密度为3 mg/cm2、薄膜厚度为790μm时,制备得到的PH-PDMS/SiO2薄膜超疏水性最佳,其表面接触角为158°±1.5°,滚动角为5°±0.5°;同时其太阳光反射率与红外发射率最高,分别为97.6%和大于95%。在太阳光强度为859W·m-2的户外,该PH-PDMS/SiO2复合薄膜可以实现平均12.6℃、最高13.9℃的日间辐射制冷效果。制备的PH-PDMS/SiO2超疏水辐射降温薄膜在经历砂纸磨擦8 m、手指摩擦12 m、酸/碱溶液浸渍120 h以及紫外光照240 h后,其表面超疏水性和降温效果几乎无变化。此外,薄膜表面的超疏水自清洁性能可有效地阻止外界环境污染从而保持其优异的辐射冷却效果。本课题通过静电纺丝、静电喷涂以及喷枪喷涂相结合的方式制备超疏水辐射降温纳米纤维复合材料,充分利用聚合物的低表面能以及纳米材料和聚合物的高红外发射特性,结合纳米纤维薄膜经过静电喷涂和喷涂后在薄膜表面形成的可增强米氏散射的微纳级粗糙结构,在保证材料太阳光波段高反射、中红外波段高发射的前提下大幅度地提高了薄膜材料的疏水性,实现了超疏水与辐射降温功能的有效协同,不仅为长寿命辐射降温材料的多功能化提供了新的科学思路和方法,而且有望推动该材料的大面积制备和技术应用。
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