隨著全球變暖加劇，傳統(tǒng)空調(diào)等冷卻系統(tǒng)因其高能耗與碳排放而面臨可持續(xù)發(fā)展難題。輻射冷卻技術(shù)因其“無需電力消耗即可將熱量輻射至深空”的特性，成為綠色制冷的重要替代方案。然而，目前高性能的輻射冷卻材料多采用復(fù)雜制備工藝或高成本原料，制約了其大規(guī)模應(yīng)用。本研究提出一種由多孔P(VDF-HFP)作為上層、商業(yè)丙烯酸乳膠漆(ALP)為底層的新型雙層涂料結(jié)構(gòu)，在保持高反射率與優(yōu)異熱發(fā)射性能的同時，將材料成本控制在約1.3美元/平方米，顯著低于單層P(VDF-HFP)的成本（約2.5美元/平方米）。該雙層涂料通過調(diào)控頂層的微納孔結(jié)構(gòu)與厚度提升了太陽反射率（0.89~0.95）與熱發(fā)射率（0.98），并顯著延長了抗UV老化壽命（可達11年）。該工作在性能、成本與耐久性之間取得平衡，為輻射冷卻技術(shù)在建筑節(jié)能和環(huán)境友好領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供了經(jīng)濟有效的解決方案。相關(guān)工作以Cost‐Effective Bilayer Radiative Cooling Paint via a Porous P(VDF‐HFP) Top Layer為題發(fā)表在Adv. Funct. Mater.期刊。

本研究提出一種由多孔P(VDF-HFP)和ALP組成的雙層輻射冷卻涂料，在性能、耐久性與經(jīng)濟性間實現(xiàn)平衡（圖1）。其工作原理是：頂部P(VDF-HFP)層高效反射紫外與短波可見光，底部ALP層反射剩余長波太陽光（圖2a–c），二者協(xié)同實現(xiàn)高反射率和優(yōu)異熱發(fā)射性能（圖2d–e），并在不同基底上表現(xiàn)出良好適應(yīng)性（圖2g–h）。通過調(diào)控頂層P(VDF-HFP)的孔隙（圖3a–f）與厚度（圖4a–b），實現(xiàn)對紫外與近紅外反射的協(xié)同增強。紫外加速老化實驗表明，雙層涂料的耐久性明顯優(yōu)于單層ALP（圖4d–e）。此外，引入頂層P(VDF-HFP)后，雙層涂料不僅可以減少翻新頻率（圖5a），而且可以在溫暖地區(qū)節(jié)省大量能源，具有更高的成本效益（圖5b-d）。

圖1. 典型聚合物涂料作為輻射冷卻涂層的示意圖，對比三種不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性、成本和性能。本研究提出的雙層涂料（Case 3）表現(xiàn)出相對較高的冷卻性能、適中的材料成本和優(yōu)異的紫外線耐久性。

圖2. 雙層聚合物涂料的工作原理。a) 雙層涂料受到光熱輻射作用的示意圖。b) 不同厚度P(VDF-HFP)層的模擬反射率，表明其反射能力從紫外波段到近紅外波段的降低。c) 基于理想黑體基底的雙層涂料的橫截面SEM圖像。d) 商用 ALP 和雙層涂料的反射光譜，突出雙層涂料在紫外和整個太陽光譜波段的反射增強。e) 對比商用 ALP 和雙層涂料的發(fā)射光譜，利用大氣透射窗口作為參考。f) ALP 基底和雙層涂料的水接觸角。由于頂部的 P(VDF-HFP) 層，雙層涂料保留了疏水表面。g) 雙層涂料在乙烯、金屬、木材和混凝土等基材上的應(yīng)用。 h) 雙層涂料在不同基材上的反射光譜，反射率從理想黑體（cinefoil）基底上的 0.89 提高到在鋁基底上的 0.95。

圖3. 通過孔隙調(diào)控優(yōu)化反射性能。a) 不同配比雙層涂料的 SEM 形貌，其中 P(VDF-HFP):丙酮:水的重量比分別為 (a1) 1:8:0.10、(a2) 1:8:0.33、(a3) 1:8:0.65 和 (a4) 1:8:1.00。b) 頂層（厚度固定為38 μm）中多孔P(VDF-HFP)配比不同時，雙層涂料的反射光譜。c) 不同含水量對應(yīng)的紫外反射率和太陽反射率。d) P(VDF-HFP) 層空氣孔的獨立散射效率與孔徑的關(guān)系。e) 三種孔隙結(jié)構(gòu)的COMSOL 反射率模擬：配置1僅包含納米孔、配置2僅包含微米孔、配置3同時包含納米孔和微米孔。 f) 與 ALP 基底相比，三種配置的反射率模擬結(jié)果表明更寬范圍的孔徑分布（配置3）增強了整個太陽光譜的反射率。

圖4. 厚度調(diào)節(jié)對反射率的優(yōu)化及紫外線老化分析。a) 具有不同厚度 P(VDF-HFP) 頂層的雙層涂料的反射率和發(fā)射率光譜。b) 太陽反射率和熱發(fā)射率與 P(VDF-HFP) 層厚度的關(guān)系。c) SEM 圖像表明，紫外線老化前后 ALP 和 P(VDF-HFP) 沒有明顯的形態(tài)變化。d) 雙層涂料的太陽反射率是紫外線照射時間的函數(shù)。864 小時的紫外線照射量相當(dāng)于佛羅里達州一年的紫外線照射，約為 275 MJ m?2。 e) 根據(jù)紫外線老化結(jié)果推斷出隨年份變化的雙層涂料太陽反射率估計值。

圖5. 全壽命周期的節(jié)能效果。a) 對比 ALP 和雙層涂料的使用壽命，其中太陽反射率下降的閾值設(shè)定為 0.9。b) 以Phoenix為例，使用壽命期間的材料成本和總公用設(shè)施節(jié)省。c,d) (c) ALP 和 (d) 雙層涂料的回報率（定義為整個使用壽命期間的總公用設(shè)施節(jié)省除以材料成本），突顯了雙層設(shè)計的成本效益。

小結(jié)：該研究提出并驗證了一種經(jīng)濟高效的雙層輻射冷卻涂料，該涂料由頂層多孔P(VDF-HFP)與底層商業(yè)丙烯酸乳膠漆ALP構(gòu)成，在光譜調(diào)控、耐候性、經(jīng)濟性等多方面實現(xiàn)了協(xié)同優(yōu)化。通過調(diào)控頂層P(VDF-HFP)的微納孔結(jié)構(gòu)與厚度，有效提升了對太陽光的反射能力（比ALP反射率高0.11）并維持高紅外發(fā)射性能。紫外線加速老化測試與建筑能耗模擬表明，該雙層設(shè)計具備良好的環(huán)境耐久性（比ALP壽命延長7年）與經(jīng)濟可行性（比P(VDF-HFP)成本降低70%），在節(jié)能建筑與城市熱島治理中具有廣泛應(yīng)用前景。

論文信息：Q. Cheng, C. Tang, B.-W. Kim, Y. Xu, N. Yu, J. Mandal, H. Yin, Y. Yang, Cost-Effective Bilayer Radiative Cooling Paint via a Porous P(VDF-HFP) Top Layer. Adv. Funct. Mater.2025, 2506405. https://doi.org/10.1002/adfm.202506405.

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