具有三元填料协同效应的可扩展环氧基辐射冷却涂层，用于实现高效且低成本的建筑热管理

《Energy and Buildings》：Scalable epoxy-based radiative cooling coatings with ternary filler synergy for efficiency and low-cost building thermal management

基于环氧树脂与三元粒子（硫酸钡、二氧化硅、六方氮化硼）复合的辐射冷却涂层实现12.8°C峰值温降，太阳能反射率与中红外发射率协同优化，实验室成本145元/平方米，适用于建筑节能与气候韧性基础设施。

　　

赵青云|张楠|张照莉|曾一凯|阿蒂亚·沙迪|袁彦平

中国西南交通大学机械工程学院，成都610031

摘要

辐射冷却（RC）因其无需外部能量输入即可减少能耗的潜力而受到广泛关注。然而，RC技术受到原材料成本高和大规模生产挑战的制约。在本研究中，通过使用环氧树脂和由硫酸钡（BaSO₄）、二氧化硅（SiO₂）和六方氮化硼（h-BN）组成的三元颗粒系统，制备出了一种成本效益高且性能优异的RC涂层。对填料比例和颗粒负载的系统性优化显著提升了该涂层的光学和热性能。所得涂层在大气窗口（8–13 μm）内的中红外发射率为95.9%。在926 W/m²的太阳辐照度下进行的户外测试显示，其峰值温度下降了12.8°C，比商用涂层高出9.38%。此外，该涂层对砖等基材具有很强的附着力，并且在长期户外暴露下仍能保持稳定的冷却性能。值得注意的是，实验室制备成本仅为145元人民币/平方米，这突显了该方法的经济可行性。本研究提出了一种可扩展且成本效益高的RC涂层制造策略，兼具良好的冷却效率和环境适应性，为建筑节能、智能外观和气候适应性基础设施的应用提供了巨大前景。

引言

在全球气候危机和能源短缺的背景下，建筑热管理已成为实现碳中和的关键技术挑战。据统计，主动制冷系统的能耗占建筑总能耗的30%以上[1]、[2]、[3]。传统基于压缩机的制冷系统的高能耗以及日益增加的碳排放压力，凸显了零能耗冷却技术突破的紧迫性。RC技术使材料能够在太阳光谱（λ = 0.3–2.5 μm）中实现高反射率，并在大气透明窗口（λ = 8–13 μm）中实现强中红外（MIR）发射率。在这个波长范围内，热辐射可以通过大气层散发到外太空，从而实现被动散热，使RC成为被动冷却中最有前景的策略之一[4]、[5]、[6]、[7]。这项技术有望减少与传统空调系统相关的能耗和碳排放，特别是在建筑和电子设备中[8]、[9]、[10]。

辐射冷却材料的关键在于精确的光谱调制。目前的RC材料包括平面光子结构[11]、[12]、多层介电堆[13]、[14]、超材料[15]和聚合物复合材料[16]、[17]、[18]，其中许多材料都实现了高太阳反射率和MIR发射率。例如，范等人[14]提出了一种由二氧化硅和二氧化铪交替层组成的周期性纳米结构，在直射阳光下实现了4.9°C的温度下降。然而，其制备过程复杂且成本高昂，严重限制了其在建筑领域的规模化应用。聚合物-无机颗粒复合材料由于易于加工而成为RC材料研究的热点[18]。研究人员将h-BN[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、BaSO₄[24]、[25]、[26]、[27]、二氧化钛（TiO₂[28]、[29]、[30]或SiO₂[10]、[16]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]等微/纳米颗粒引入聚合物基体中，以利用可见光和近红外光谱中的强米氏散射效应。同时，许多聚合物（如聚二甲基硅氧烷（PDMS[17]、[19]）、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA[36]）、聚偏二氟乙烯（PVDF[37]、[38]））本身的MIR发射率为有效散热提供了基础。基于聚合物的混合超材料已被证明在太阳反射率和MIR发射率方面表现出色。然而，一些先进聚合物的高成本和制备工艺限制了它们的实际应用[10]、[16]、[23]、[26]、[39]。总体而言，RC材料的设计必须平衡光学性能与可扩展性、建筑适用性制造需求之间的权衡。

环氧树脂是一种热固性聚合物，由于其易于合成、低成本和优异的化学稳定性[25]、[26]、[40]、[41]、[42]，成为可扩展RC应用的有希望的基体材料。基于环氧树脂的RC涂层在实验室和户外条件下均实现了显著的室温降低[25]、[26]、[40]、[41]、[42]。其折射率与PDMS、PVDF和PMMA等常用聚合物相当，足以与空气形成足够的对比度以促进太阳反射。尽管其固有的太阳反射率和红外发射率相对较低，但加入适当的无机填料可以显著提升其光学性能，从而克服材料本身的局限性。

以往关于基于聚合物的RC涂层的研究主要集中在单组分填料系统上。例如，吴等人[25]开发了一种BaSO₄/环氧树脂复合膜，其太阳反射率为71%，MIR发射率为94%。周等人[40]制备了一种h-BN/Al₂O₃/环氧树脂混合复合膜，在户外条件下实现了约12.4°C的室温降低。李等人[26]使用BaSO₄/环氧树脂复合膜展示了4.4°C的室温降低，证实了其实际的RC潜力。然而，由于单一填料的光谱限制，同时实现宽带太阳反射率和高MIR发射率在技术上仍具有挑战性。为了解决这个问题，杨等人[27]提出了一种二元填料方法，将BaSO₄和SiO₂颗粒引入水性聚氨酯基体中，制备出一种太阳反射率为81.88%、在8–13 μm大气窗口内发射率为0.89%的复合膜。基于TiO₂、BaSO₄或SiO₂的许多单组分RC系统也展示了极高的太阳反射率和MIR发射率[10]、[15]、[16]、[24]、[25]、[26]、[32]、[34]、[35]，证实适当设计的单一填料已经能够提供优异的光学性能。然而，这些系统在同时保持宽带光谱控制、机械强度和大规模建筑应用的成本效益方面仍面临挑战。此外，单组分和二元填料系统常常存在填料分散不良、界面散射增加和机械完整性受损等问题，阻碍了其实际应用。嵌入环氧树脂基体中的多组分填料系统的协同光热相互作用尚未得到充分探索，这是实现低成本、高性能RC涂层可扩展制造的关键障碍。

因此，本研究开发了一种面向建筑的辐射冷却涂层，结合了热固性环氧树脂基体和三元BaSO₄/SiO₂/h-BN填料设计，特别强调低成本和可扩展性。BaSO₄微粒用于提高太阳反射率，SiO₂纳米颗粒用于贡献宽带MIR发射，六方h-BN纳米片用于增强MIR发射并促进热量扩散。通过系统调节总无机负载和h-BN:BaSO₄比例，该配方旨在平衡光谱调节、机械强度和在建筑相关基材上的界面粘附性。同时，采用市售填料和简单的涂层/热固化步骤，以保持材料和加工成本低廉，并适用于大面积建筑应用。本研究不仅仅追求最大的光学性能指标，而是一个以应用为导向的填料工程框架，将颗粒级设计和微观结构控制与工艺性和经济性考虑相结合，为建筑围护结构中的环保和节能被动热管理提供了有前景的策略。

材料

E51环氧树脂（包括预聚物A和固化剂B）购自南昌晨芳粘合剂有限公司。BaSO₄（10 μm）由威海腾盛贸易有限公司提供。h-BN（500 nm）来自河北沐宇新材料有限公司。SiO₂（30 nm）和聚山梨酯80（Tween-80）由成都科隆化工有限公司提供。异丙醇也来自成都科隆化工有限公司。所有试剂和材料均来自商业渠道，使用前未进行特殊处理。

RC涂层原理

RC涂层的冷却性能取决于其同时反射太阳辐射和在大气透明窗口（8–13 μm）内发射热辐射的能力。净冷却功率取决于三种辐射通量之间的平衡：向天空的热辐射（P_rad）、大气长波辐射的吸收（P_atm）和吸收的太阳辐照度（P_sun）。因此，高效的RC需要高MIR发射率和强太阳

结论

总结来说，开发了一种基于环氧树脂的RC涂层，采用三元BaSO₄/SiO₂/h-BN填料策略，用于建筑热管理。通过对总无机负载和h-BN:BaSO₄比例的系统性优化，获得了致密的交联环氧网络，其中BaSO₄和SiO₂颗粒均匀分散，h-BN纳米片分布均匀。这种工程化的微观结构增强了太阳散射和MIR发射，同时保持了良好的厚度均匀性、机械完整性

CRediT作者贡献声明

赵青云： 写作——审稿与编辑，撰写——初稿，软件使用，资源提供。张楠： 写作——审稿与编辑，撰写——初稿，数据整理，概念构思。曾一凯： 验证，调查，数据分析，数据整理。阿蒂亚·沙迪： 写作——审稿与编辑，撰写——初稿。袁彦平： 资源提供，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52378111）的支持。