研究：一种给建筑物降温的聚合物涂层

　　随着气温上升和热浪扰乱世界各地的生活，冷却解决方案变得越来越重要。这是一个关键问题，特别是在发展中国家，夏季炎热可能极端，预计会加剧。但是诸如空调之类的常见冷却方法很昂贵，消耗大量能量，需要随时接入电力，并且通常需要消耗臭氧或具有强烈温室效应的冷却剂。

　　这些能量密集型冷却方法的替代方案是（PDRC），这是一种表面通过反射太阳光并将热量辐射向较冷的大气而自发冷却的现象。如果表面具有太阳能反射率（R）可以最大限度地减少太阳热量的增加，并且具有高的热辐射率（Ɛ）可以最大限度地提高天空的辐射热损失，PDRC是最有效的。如果R和Ɛ足够高，即使在阳光下也会发生净热损失。

　　开发实用的PDRC设计具有挑战性：许多最近的设计方案复杂或昂贵，并且不能在具有不同形状和纹理的屋顶和建筑物上广泛实施或应用。到目前为止，廉价且易于应用的白色涂料已成为PDRC的基准。然而，白色涂料通常具有吸收紫外线的颜料，并且不能很好地反射更长的太阳光波长，因此它们的性能只能算中等。

　　哥伦比亚工程公司的研究人员发明了一种高性能外部PDRC聚合物涂层，具有纳米到微米级的空气空隙，可作为自发空气冷却器使用，可以在屋顶，建筑物、水箱、车辆上进行染色和涂漆，甚至是宇宙飞船——任何可以涂漆的东西。他们使用基于溶液的相转化技术，使聚合物具有多孔泡沫状结构。由于空气空隙和周围聚合物之间的折射率不同，多孔聚合物中的空气空隙散射并反射太阳光。聚合物变白并因此避免太阳能加热，而其固有的发射率使其有效地将热量散发到天空。这项研究在近日发表在“科学”杂志上。

　　该研究成果以早期的工作为基础。研究团队早期证明了简单的塑料和聚合物，包括丙烯酸，硅树脂和PET，都是出色的热辐射器，可用于PDRC。挑战在于，如何使这些通常透明的聚合物反射太阳光而不使用银镜作为反射器，以及如何使它们易于展开。

　　他们决定使用相转化技术，因为它是一种简单的，基于溶液的方法，用于在聚合物中制造光散射气隙。聚合物和溶剂已经用于涂料中，哥伦比亚工程方法基本上用白色涂料中的颜料替换了反射所有波长的太阳光的空气空隙，从紫外线到红外线。

　　“这种简单但基本的修改产生的异常反射率和发射率等于或超过了最先进的PDRC设计，但具有几乎类似油漆的便利性，”研究团队成员之一Mandal说。

　　研究人员发现，他们的聚合物涂层的高太阳反射率（R>96％）和高热辐射率（Ɛ~97％）使其在不同的天空下比其环境温度更低。在亚利桑那州温暖干旱的沙漠中，温度为6˚C，在孟加拉国雾气弥漫的热带环境中为3˚C。“在沙漠和热带气候没有任何热保护或屏蔽的条件下可以实现冷却，这一事实证明了我们的设计在需要冷却的地方的实用性，”研究团队成员之一Yang指出。

　　“在当前涂料中实现颜色和冷却性能之间的卓越平衡是研究的重点之一，”研究团队成员之一Yu说。“对于外墙涂料，颜色的选择往往是主观的，涂料制造商几十年来一直在努力制造彩色涂料，如屋顶涂料。”

　　研究团队考虑了环境和操作问题，例如可回收性，生物相容性和高温可操作性，并表明他们的技术可以推广到一系列聚合物以实现这些功能。“聚合物是一种非常多样化的材料，因为这种技术是通用的，如果有合适的聚合物，可以方便地将其他所需的性能集成到我们的PDRC涂层中，”Mandal补充道。

　　“大自然提供了许多加热和冷却的方法，其中一些是众所周知的，并且被广泛研究，而另一些则鲜为人知。辐射冷却——通过使用天空作为散热器属于后者，几年前材料科学家一直忽视了它的潜力，“乌普萨拉大学物理学教授Claes-Göran Granqvist说，他是辐射冷却领域的先驱，并没有参与这项研究。“Mandal等人的出版物强调了辐射冷却的重要性，并且通过证明分层多孔聚合物涂层可以廉价和方便地制备，即使在充足的阳光下也能提供出色的冷却，这是一个重要的突破。”

　　Yang、Yu和Mandal正在改进其设计的适用性，同时探索使用完全生物相容的聚合物和溶剂等可能性。他们正在与业界就后续步骤进行谈判。

　　“现在是为可持续发展开发有前途的解决方案的关键时刻，”Yang说。“今年，我们目睹了北美、欧洲、亚洲和澳大利亚的热浪和创纪录的气温。我们必须找到应对这一气候挑战的解决方案，我们非常高兴能够开展这项新技术。”

　　Yu补充说，他曾经认为白色是最难以达到的颜色：“几年前我学习水彩画时，白色涂料是最昂贵的，Cremnitz白色或白色铅是伟大大师的选择，包括伦勃朗和卢西恩·弗洛伊德。我们现在已经证明，白色实际上是最容易实现的颜色。它只能使用嵌入透明介质中的适当大小的空隙来制作。空气空隙是雪白和撒哈拉银蚂蚁银色的原因。