南工大材料学院《Compos. Part A》：具有机械稳健性能的超疏水型多层被动降温复合材料

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制冷降温设备的大规模使用所产生的能源消耗已经成为当前社会能源过度消耗的重要来源，其产生的温室气体无疑会加剧全球的温室效应及城市热岛效应并严重危害环境的生态平衡。研究被动降温材料对于响应节能减排的理念有着重要意义。环境友好型被动降温材料借助其优异的太阳光反射及红外热辐射的方式在零耗能的情况下减少外界热量进入人们的生活环境可有效的降低建筑领域的能源消耗，结合被动降温性质及屋顶卷材制备新型聚合物被动降温复合材料有着重要的研究价值。被动降温材料多用于户外屋顶等建筑材料领域，空气中灰尘及雨水的黏附会使得污染物沉积在材料表面影响外观及降温性能。户外突变的环境易使试样表面受到破坏继而影响自清洁效果，设计制备具有机械耐久性的超疏水表面对于被动降温材料在屋顶建筑的实际应用有着重要的意义。

针对这一问题，以南京工业大学材料科学与工程学院孙颢瑄博士为第一作者在复合材料期刊《Composites Part A：Applied Science and Manufacturing》发表题为“Scalable-manufactured and mechanical-robust superhydrophobic hierarchical material toward self-cleaning passive cooling”的论文，该工作采用多层结构及功能设计制备了具有机械耐久性的超疏水型被动降温材料，可满足极端条件下户外使用性能的保证。

图1 超疏水型被动降温多层复合材料作用及组成示意图

以新一代建筑弹性体卷材PP/SEBS为基体，SEBS-g-MAH为连接剂于其表面制备了机械稳定性能的同时具有超疏水功能的环氧树脂表层。借助环氧树脂层优异的耐刮擦性能，探究了合适的环氧树脂固化条件，并巧妙地将表面包覆有六甲基二硅氮烷的二氧化硅嵌入至树脂基体，实现具有机械稳健性能的超疏水功能表面。

图2 试样的超疏水性能及表面形貌图：（a）试样超疏水性能及具体成分示意简图，（b）水接触角数据图，（c）试样表层（环氧-SiO₂层）实现疏水效果的机理示意图，（d）试样表面形貌图和（e）样品形貌示意简图及对应接触角

该试样表面可实现接触角大小为160^o的超疏水性能，并在砂纸刮擦循环测试60次后仍然基本保持不变，表现出了优异的机械稳定性能，有利于实现户外极端环境下的应用性能。归因于固化后的环氧树脂将疏水型纳米颗粒嵌入其中，刮擦后仍然保持有较低的表面张力。

图3 试样机械稳定性测试：（a）机械耐久性测试示意图、（b）M/S-g-M(MT)/EP(SiO₂)试样经60个机械耐久性能循环测试前后表面形貌图、（c）循环测试过程中M/S-g-M(MT)/EP(SiO₂)试样接触角形态及数据图、（d-e）液滴冲击实验测试

因SEBS-g-MAH与氢氧化镁（MT）填料之间的折光指数存在差异，根据Fresnel定律可知当光束照射到试样时会发生光束的散射进而使得试样表现出相应的反射效果。太阳光在反射层中光束传播路径见图4，光束在粒子及SEBS涂层界面处发生散射及基材吸收行为。可以看出PP/SEBS基材在整个太阳光波段的反射率较低，并且对各个波长的反射率基本一致，因而表现出较为平直的曲线。在基材上方加入SEBS-g-MAH（MT）涂层后在可见光及近红外光波长范围的反射率大幅度上升，由于SiO₂粒子中Si-O及环氧基团在近红外部分的吸收作用所影响，其总的太阳光反射率仍保持在了较高数值，具有较好的反射降温效果。

图4 基材、M/S-g-M(MT)及M/S-g-M(MT)/EP(SiO₂)试样太阳光反射及辐射性质分析：（a）试样光学性能作用示意简图，（b）试样组成及宏观光路传播图示，（c）太阳光进入介质n₁和n₂中散射及透过作用机理示意图，（d）AM1.5光谱和试样的紫外光-可见光-近红外光反射谱图及（e）大气透过窗口及试样在2.5-25 μm范围内的辐射率数据图

原文信息与链接：Haoxuan Sun, Fan Yang, Shuangjun Chen, Jun Zhang. Scalable-manufactured and mechanical-robust superhydrophobic hierarchical material toward self-cleaning passive cooling[J].Composites Part A, 2023, 175:107750.

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107750

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