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基于醋酸纤维素的分层式辐射冷却薄膜可防止日光下的冰雪融化

新闻中心

基于醋酸纤维素的分层式辐射冷却薄膜可防止日光下的冰雪融化

分类:
新闻中心
作者:
高分子科学前沿
发布时间:
2022/02/21

以可持续的方式避免冰雪在日光下融化是十分重要的课题,其涉及到从日常的冷链食品到冰上运动,再到高海拔/高纬度地区的冰山融化等人类生活中的众多领域。据统计,全球可保存的40%的食物(约4亿t)是通过冷链来保存的,而这消耗了全球11%的电力,导致了全球约2.5%的温室气体排放。

在太阳光下,冰的融化与冰系统中能量流的变化息息相关。图1概述了不同纬度下冰的代表性热流。从图中可以看出,太阳辐射(波长0.3~2.5μm)是最主要的热负荷,导致了冰温的上升和随之而来的融化。同时,中红外辐射(波长2.5~18μm)是抵消这一趋势的主要能量流。因此,探索一种可持续的途径来平衡该能量流,从而实现阳光下各种冰系统的被动保护,具有重要的现实意义。

 

图1. 不同纬度下冰的代表性热流

 

最近,日间辐射冷却的蓬勃发展为平衡能量流提供了策略。研究人员开发了各种特殊的材料和结构,如多层/图案化的光子结构、基于纳米颗粒/多孔聚合物的薄膜、冷却木材以及超白涂料(太阳反射率大于0.95)。在晴朗的日光里,上述方法的实验冷却功率可以达到40~100 W·m-2,亚环境冷却温度为3~13°C。然而,为了在阳光下保存冰,除了传统的考虑之外,还有几个严格的要求。首先,在实际应用中需要冰的温度要较低,因此,其需要非常高的辐射冷却性能。例如,据计算,将净辐射功率从70 W·m-2增加到110 W·m-2,可以防止冰/冰冻食物的融化,而不需要额外的冷藏装置。此外,出于冰冻保存的特殊要求,辐射冷却材料必须是来源丰富、可量产,并具对环境有较低的影响。

鉴于此,南京大学朱嘉、汪名怀合作开发了一种基于醋酸纤维素(cellulose acetate,CA)的分层式辐射冷却薄膜,该薄膜可量产、生态友好,并且可以在阳光下为各种形式/规模的冰提供有效的被动防护。这项工作为开发有效、可量产、可持续的冰雪保护提供了一种重要途径,并为生态系统中其他关键元素的保存途径提供了灵感。该研究以题为“Protecting ice from melting under sunlight via radiative cooling”的论文发表在《Science Advances》上。

 

辐射冷却薄膜的设计及表征

分子的内在振动使CA薄膜具有宽带和高中红外发射率,有利于高性能的大规模冷却。定制的孔隙作为进入的太阳辐射的有效散射中心,赋予了CA薄膜高太阳反射率。因此,分层设计的薄膜能够最大限度地减少阳光下冰的热负荷,实现对不同纬度下冰系统的有效被动保护。在生命周期结束时,分层设计的CA薄膜可以被自然界的微生物所消化,并被分解成CA。分层设计的CA薄膜的原料来自天然纤维素,广泛存在于植物的细胞膜内,可以从天然植物的细胞胚胎中获得。

 

图2 多孔CA膜的分层设计和生命周期

 

研究人员通过分层设计实现了CA薄膜的理想光学特性,并测量了该分层设计的CA薄膜的冷却温度和冷却功率。冷却温度被定义为薄膜从环境温度中的温度降低值。在阳光直射下,分层设计的CA膜实现了高达110 W·m-2的冷却功率和12℃左右的冷却温度,这证实了该分层设计的CA膜具有良好的辐射冷却能力。

 

图3 低/中纬度地区的户外冰/冰鲜食品保存

 

辐射冷却薄膜用于冰雪保护

冰和雪面(微小的冰晶)是两种有代表性的地貌。它们具有不同的太阳反射率,但具有相似的中红外发射率。研究人员展示了分层设计的CA膜对冰和雪表面的被动冷却效果。如下图所示,在高纬度地区,冰的融化是由入射太阳辐射和中红外辐射输出的辐射能量转移过程主导的。由于入射太阳辐射和中红外辐射输出都与表面积的大小无关,研究人员通过小规模的实验来评估分层设计的CA薄膜在高纬度地区对冰的冷却效果。结果表明,在有和没有分层设计的CA膜之间,温度差异高达6.3℃。如下图C所示,即使在平均约700 W·m-2的太阳辐射下,带有分层设计的CA膜的冰的表面温度仍比环境温度低约7℃。

除了冰,分层设计的CA膜对雪面也有很好的保护作用。研究人员对有和没有分层设计的CA膜的雪面进行了实地测试。结果表明,带有分层CA材料的雪的残留物比裸露的雪多出50%。更多的结果也直接证明了该辐射冷却膜能有效减缓当地冰川的融化。

 

图4. 通过分层设计的CA膜来保护冰雪

 

对高纬度地区冰的冷却效应进行建模分析

研究人员通过建立模型对扩大规模情况下该薄膜的预期冷却效果进行评估。研究人员通过热力学模型研究了一个大小为几十平方公里(相当于一个大型滑雪场的大小)的冰山(从母体冰川断开的大块冰)融化情况。结果发现,该冰山在夏季通过融化损失了1m的厚度。相比之下,分层的CA膜使冰山的厚度增加了1m。此外,研究人员利用气候模型实验,将分层去排列的CA薄膜扩展到波弗特海流区域内的海冰上。在这些特定区域内,有CA膜保护的海冰浓度增加了5%~40%,厚度增加了0.5~2.5m,这表明该方法能够对高纬度地区的冰系统进行有效的区域/目标保护。

最后,研究人员还充分考虑了该分层设计的CA膜在使用寿命结束时的生物降解性。土壤暴露试验(在北纬31度的南京)表明,分层设计的CA膜在开发辐射冷却材料的各种聚合物中表现出最佳的生物降解性。因此,认为其能为不同纬度的冰雪提供了环境友好的保护。

 

图5. 对高纬度地区的冰域的保护

 

文章链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj9756

 

(文章来源:高分子科学前沿)