一种超疏水自清洁、零能耗冷却降温的PTFE纳米纤维膜

日期：2025-05-01 02:58

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摘要：一种超疏水自清洁、零能耗冷却降温的PTFE纳米纤维膜

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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。

被动日间辐射制冷（PDRC）是一种新颖的、环境友好型、零能耗的冷却技术，它能有效反射太阳辐射（0.3-2.5 μm波段）并通过大气窗口（8-13 μm波段）向寒冷的外太空辐射热量，实现物体表面降温效果。目前相关研究主要集中通过材料和结构的设计以提升PDRC性能。

然而，PDRC器件在实际应用中往往因表面污染及长期耐久性差而存在性能衰退的问题，这限制了其商业化及进一步发展。开发一种易于制备、高效、可连续化生产并具备自清洁特性的高性能PDRC材料，仍是一项巨大的挑战。

聚四氟乙烯（PTFE）化学键单一，C—F键具有高大气窗口（8-13 μm波段）发射能力，且能强烈反射太阳光，具有防紫外线、耐化学腐蚀、热稳定性良好以及低表面能等独特优势，是PDRC应用的理想材料。基于此，天津工业大学研究团队利用静电纺丝技术成功制备出一种具有优异的辐射冷却性能和超疏水自清洁特性的PTFE纳米纤维膜（SNM-PTFE）。

通过向静电纺丝溶液中加入SiO₂气凝胶，使其被PTFE树脂充分包裹，广泛分布于纳米纤维的内部和表面。在随后的烧结过程中，熔融的PTFE树脂将SiO₂气凝胶牢固地锚定在纳米纤维膜表面，防止SiO₂气凝胶的脱落，其超疏水性进一步保障了SiO₂气凝胶在膜表面的稳定性，从而增强了SNM-PTFE的长期耐久性。

基于经典Mie散射理论，静电纺丝得到的高孔隙率SNM-PTFE能够强烈散射可见光以提供*大的太阳光反射率。引入的无机粒子SiO₂气凝胶不仅增加了SNM-PTFE的表面粗糙度，使其达到超疏水效果，进而增强自清洁能力，而且进一步提升了SNM-PTFE的隔热和红外发射能力。

为了**且精准地评估SNM-PTFE的PDRC综合性能，该团队系统分析了SNM-PTFE的隔热能力、太阳光反射能力、红外发射率及其在亚环境时和高于环境温度时的冷却性能，证明了通过添加SiO₂气凝胶、增加膜厚度、以及优化膜孔径可以显著提升SNM-PTFE的PDRC性能，具体表现为：SNM-PTFE的平均红外发射率为95.8%，平均反射率为95.4%；在阳光直射下，能够实现~ 14.4 ℃的亚环境冷却性能和~ 9.5 ℃的高于环境冷却性能。

在实际应用中，PDRC器件往往因浮尘或其他固体污染物的沉积而导致性能衰退以及寿命缩减。具有超疏水表面的SNM-PTFE能够有效抵御污染物附着，从而提供自清洁特性和长期耐久性。相较于商业化的双向拉伸PTFE膜（Cb-PTFE）和单向拉伸PTFE膜（Cm-PTFE），SNM-PTFE在户外环境暴露一个月以后依然维持其优异的冷却性能，显示出更为出色的抗污染性和长期耐久性。

SNM-PTFE优异的综合性能使其在PDRC领域中展示出巨大的发展潜力，可进一步应用于建筑、工业、商业和人体热管理等领域。

该工作以“Self-cleaning PTFE nanofiber membrane for long-term passive daytime radiative cooling”为题发表在Chemical Engineering Journal上。

来源：高分子科学前沿

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