多孔聚二甲基硅氧烷辐射冷却膜辐射冷却实验研究

◇攀枝花学院土木与建筑工程学院 马瑞华 何 琳

由于全球经济和城市的快速发展，能源消耗不断增加，能源以及环境问题日益严峻。辐射冷却是一个具有广阔发展前景的领域，被动日间辐射冷却技术是一项不需要额外输入电能实现冷却的技术，具有环境友好、不消耗能源、无污染等特点。本工作制备了多孔聚二甲基硅氧烷辐射冷却膜，并对其冷却性能进行了实验研究，该实验薄膜不断反射太阳能及辐射热量向太空中产生制冷效果，在实验中辐射冷却薄膜的温度可以实现低于周围环境空气温度5.1℃的效果，具有良好的制冷效果。

1 引言

随着全球气候变暖，人类对冷却技术具有越来越大的需求。但是传统的冷却方式带来了很大的负面影响，譬如臭氧空洞、温室效应、酸雨等环境问题[1-3]。据统计，传统的冷却方式消耗的电力占整个建筑电力负荷的40%-60%，对电网构成了巨大的挑战[4-7]。为了改变传统冷却方式消耗大量的一次性能源以及带来的诸多环境问题，亟需开发一种新的冷却方式。被动辐射冷却作为一种绿色冷却方式可以在没有任何电力输入和温室气体排放的情况下实现冷却，可以有效的降低能源消耗以及几乎不对环境产生任何影响，由于其对环境友好、低成本、零能耗而受到越来越多的关注[8-11]。

与夜间辐射冷却技术不同，日间辐射冷却技术具有一定的特殊性，它采用具有光谱特性的材料最大限度的减少太阳光（0.4-2.5μm）的吸收，同时在大气传输窗口（8-13μm）具有很强的辐射特性，将热量辐射到太空中，使物体温度降低。国内外一些学者对日间辐射开展了相关的研究，Raman等人[12]以硅片为基底，采用二氧化硅和二氧化铪交替组成的7层结构首次实现了日间辐射冷却，这种结构经测试具有约40W/m2的制冷功率。Yang[13]设计了一种以银为基底的辐射冷却结构，经测试这种结构可以实现比空气温度低5℃。Li等人[14]对天然木材进行脱木质化等处理实现了日间辐射冷却，经实验测试该结构在日间比周围空气温度低4℃。张帅[15]等人以PMMA为基底，添加ZnO和ZrO2制作了复合薄膜，通过实验测试它对太阳能能的反射率达到97.7%，能实现低于周围环境温度3.5℃的效果。日间辐射冷却要实现低于周围环境的温度所制作的薄膜须具有对太阳光较高的反射性能，同时也需要在大气窗口具有较高的辐射率。本工作制作多孔聚二甲基硅氧烷辐射冷却膜，探究了这种辐射冷却膜的性能。

2 实验制备

2.1 材料

正己烷（含量≥97.0%，蒸发残渣≤0.0005%）购买自天津科密欧化学试剂有限公司；聚二甲基硅氧烷及固化剂购买自美国道康宁公司中国代理公司；去离子水（电导率为0.1us/cm）购买自中国睿希化工水处理厂。

2.2 制备流程

将正己烷和聚二甲基硅氧烷按5:1的质量比进行混合，并充分搅拌40分钟进行充分混合，然后分别将去离子水和聚二甲基硅氧烷固化剂加入混合物中，充分搅拌，然后将混合液均匀的涂在丙烯酸板上，在空气中晾干。此后，将晾干的薄膜样品放入烤箱中保持温度95℃，持续烘干1小时，最终形成具有多孔的聚二甲基硅氧烷薄膜。聚二甲基硅氧烷薄膜是透明的，而多孔聚二甲基硅氧烷薄膜则是白色的，不透明的，这种薄膜具有高反射率，能最大限度的减少薄膜对太阳能的吸收。此外，多孔聚二甲基硅氧烷薄膜在大气窗口（8-13μm）具有较高的辐射率。

3 实验结果

日间辐射冷却实验在攀枝花学院中进行，多孔的聚二甲基硅氧烷薄膜在日间的测试结果如图1、图2所示，从图中可以看出在测试时间9:48-11:41期间多孔聚二甲基硅氧烷辐射冷却膜的温度在同一时刻比周围空气的温度要低，在时间为10:27时辐射冷却膜的温度比周围空气的温度最大降低5.1℃。多孔聚二甲基硅氧烷辐射冷却膜产生冷却效果的原因主要是此种辐射膜具有较高的反射率，能将波长范围为0.4-2.5μm的太阳光反射回天空中。此种薄膜是由平均直径为2-4μm的纤维组成，无序的纤维交叉排列最终形成了众多的微米级微孔，多孔聚二甲基硅氧烷辐射冷却膜中分布的大量微孔结构增强了对太阳光的反射。多孔聚二甲基硅氧烷辐射薄膜在大气窗口具有较高的辐射率，将薄膜周围的热量以红外线的方式辐射到天空中，这使得多孔聚二甲基硅氧烷辐射薄膜处在具有太阳光照射的白天，仍能使薄膜周围的温度低于环境温度，实现日间冷却的功能，起到了日间制冷器的作用。由此可见，本实验制备的孔聚二甲基硅氧烷辐射薄膜具有显著的日间辐射制冷特性。

图1 辐射冷却膜测试结果

图2 温差变化

4 结束语

随着全球一次能源的不断枯竭，减少对现有能源的依赖具有重要意义。日间辐射冷却技术受到越来越多的关注，因其具有不消耗电力、无污染环境等优势成为研究的热点。本工作依靠反射和热辐射原理设计并制作了多孔的聚二甲基硅氧烷薄膜，有效的冷却效果是由材料本身及多孔的纳米级微孔结构造成。当太阳光照射在多孔聚二甲基硅氧烷薄膜表面时，多孔结构提供了多个反射及辐射界面使得薄膜一方面反射太阳能，另一方面将薄膜周围的热量以红外线的方式在大气窗口进行辐射。经试验测得在白天时多孔聚二甲基硅氧烷薄膜温度一直低于周围空气温度，薄膜温度低于周围环境温度的最大值为5.1℃，具有良好的冷却效果，实现了日间辐射的功能。多孔聚二甲基硅氧烷薄膜具有制作容易、冷却效果好的优点，同时此冷却薄膜柔性强，容易与各种曲面进行结合，可以广泛应用于各种场景进行降温，为能源管理提供了一种新方法。