来源 | Materials Today Sustainability
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背景介绍
2021 年，基于各种制冷剂汽化和压缩的传统冷却系统消耗的电力约占美国总电力消耗的10%，这导致环境中大量的温室气体排放，从而加速全球变暖。因此，当前开发一种环保节能的冷却技术十分重要。被动辐射冷却（PRC）方法可以有效地反射太阳光（0.3 ∼ 2.5 μm），并通过大气透明窗口（8 ∼ 13 μm）向寒冷的外层空间（∼3 K）发射红外热辐射。这些冷却过程同时发生，且无需任何电力输入，这为减少各种冷却应用中的能耗提供了绝佳的机会。近年来，人们提出了多种PDC结构成功实现了阳光直射下冷却，包括多层结构、超材料、随机分布颗粒结构和多孔结构。尽管这些低温冷却结构具有良好的性能，但其设计和制造过程复杂且成本高昂，阻碍了其广泛应用。
目前，全球对塑料的需求持续增长，预计到2030年将达到每年4.17亿吨。这也导致了塑料废物急剧增加。促进塑料的减量、再利用和回收可以有效防止更多的聚合物材料释放到环境中，从而遏制环境污染。目前，机械回收是五种主要包装塑料环境和经济可持续经济的主要工具：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETE）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC），但机械降解仍然受到成本的限制。因此，迫切需要提出一种基于机械的策略来提高其回收价值。打印纸由于原材料丰富且具有出色的生物降解性，成为PRC结构的良好候选材料，然而，虽然打印纸具有被动辐射冷却特性，但其耐水性不足，使其无法灵活应用。
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为了应对全球塑料回收的迫切需求，美国东北大学郑义教授课题组利用回收的泡沫塑料和普通的打印纸来制造具有优异自冷却能力的泡沫-纸复合材料（FPC）。高漫反射 PS 泡沫颗粒与纤维打印纸的结合，使FPC太阳光谱反射率达到 96%，在太阳直射下平均产生8.4 °C的温降和90 W/m 2的冷却功率。同时，FPC在高湿度下仍能保持较高的太阳光反射率，促进其在潮湿的亚热带地区的应用。此外，低成本材料和简单制造方法将为有效的白天辐射冷却提供有效途径。相关研究成果以“Eco-friendly passive radiative cooling using recycled packaging plastics”为题发表于《Materials Today Sustainability》。
图1 FPC 的辐射冷却机制及其闭环制造和回收过程示意图。
图2 直径为 100 mm、厚度为 2 mm FPC 样品的 (a–c) 光学图像、(d–f) SEM 图像和 (g–i) 水接触角图像。（质量比：F5:P1, F1:P1 应力and F1:P5）
图3 (a) FPC (F1:P1)、打印纸和EPS泡沫板的半球光谱反射率。(b) FPC跨角度的太阳反射率和 (c) 热红外发射率。(d) 不同质量比的FPC样品的半球光谱发射率和 (e) 应力应变曲线。
图4 (a) 辐射冷却系统的制冷温度和辐射冷却功率在 24 小时内的变化。(b) 理论露水收集潜力。
图5 (a) 不同湿度条件下FPC (F1:P1) 的光谱发射率和 (b) 计算温差 (ΔT = T amb – T FPC ) 。
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