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一种高热辐射冷却竹材的研究

2021.6.11

　　“宁可食无肉，不可居无竹”是大诗人苏东坡广为流传的一句话。竹子是中国人最喜爱的植物之一。其实竹子并不是普通树木，它属于草本植物，故其生长迅速，生长周期远远短于其他速生树种，所以以竹代木是实现可持续发展的最佳途径之一。近日，新加坡南洋理工大学的龙祎博士团队以竹子为主要原料，开发了一种以节能为目标的高辐射冷却透明材料，它结合了低辐射涂层和辐射冷却，计算显示其在热带地区有着优异的节能效果。

　　在发达的国家，超过40％的能源被建筑系统消耗，而其中大约一半的能源被供暖，通风和空调系统消耗。因此，减少建筑能耗已成为节能最有效，最实用的解决方案之一。在所有建筑构件中，考虑到人类的视觉舒适度和健康要求，窗户虽必不可少，却也是最不节能的部分。如何降低窗户能耗，是龙祎课题组一直思考的问题。以下是一些技术细节和技术局限。

　　图1展示了此种辐射冷却节能竹材的生产流程以及工作原理。在去除竹子中的木质素并填充了环氧树脂后，均匀分散在乙醇中的银纳米线被通过旋涂的方法覆盖于样品的一面，并提供了低辐射涂层（图1a）。如图1b所示，银纳米线涂层被放置在室内，不仅可以防止室内外热交换，还可以降低通过材料本身散发到室内环境中的热量。至于环氧树脂方面，由于其辐射率（eLWIR=0.95）高，吸收的热量可以被散发到外层空间。

　　图1. 高辐射冷却竹材的制造流程、工作原理示意图以及去木质素竹材的XRD、FTIR、成分分析

　　同时，通过扫描电子显微镜（SEM），作者对去木质素及环氧树脂填充前后的竹材的微观结构进行了分析（图2）。由于环氧树脂填充了竹材的多孔结构，从而由此引发的光散射被最小化，使得竹材变得透明。并且，紧密且不规则排布的银纳米线涂层提供了低辐射率。

　　图2. 竹材去木质素及环氧树脂填充前后的结构以及银纳米线涂层的电子显微镜照片

　　为了找出银纳米线涂层厚度、光学性能以及辐射率之间的关系，0到18层的银纳米线被分别覆盖于高辐射冷却竹材的表面。如图3所示，当覆盖更多银纳米线涂层后，透射率相应的降低。然而，随着银纳米线涂层数量的增加，银纳米线涂层达到了相对饱和的状态。因此，透射率下降得逐渐缓慢。从视觉舒适度以及照明目的来看，此款高辐射冷却竹材的透射率一直保持在合理的水平。

　　接着作者对银纳米线涂层厚度和辐射率的关系进行了分析。起初，在银纳米线涂层面和环氧树脂面之间只能观察到细微的差别（图3）。但是，随着银纳米线覆盖层数的增加，银纳米线涂层面的辐射率低至0.3，而环氧树脂面为0.95，导致了高达0.65的辐射率差。并且，银纳米线涂层不仅降低了响应面的辐射率，还增大了环氧树脂面的辐射率。这是由于银纳米线涂层不仅具有低辐射率而且拥有高反射率。银纳米线涂层反射增强了环氧树脂侧的吸收，因此，面向室外的辐射率增加了。

　　此外，为了了解高热辐射冷却竹材在窗户应用中的潜力，已在新加坡模拟了其年度节能性能，并将其与具有类似日光透射率的商业低辐射玻璃和传统的3 mm硅基玻璃进行了比较（图3）。在新加坡，高热辐射冷却竹材的全年节能性能都超过了商用低辐射玻璃。但此款节能玻璃需进一步提高其机械强度，这是课题组正在解决的问题。