一種高熱輻射冷卻竹材的研究

　　“寧可食無肉，不可居無竹”是大詩人蘇東坡廣為流傳的一句話。竹子是中國人最喜愛的植物之一。其實竹子并不是普通樹木，它屬于草本植物，故其生長迅速，生長周期遠遠短于其他速生樹種，所以以竹代木是實現可持續發展的最佳途徑之一。近日，新加坡南洋理工大學的龍祎博士團隊以竹子為主要原料，開發了一種以節能為目標的高輻射冷卻透明材料，它結合了低輻射涂層和輻射冷卻，計算顯示其在熱帶地區有著優異的節能效果。

　　在發達的國家，超過40％的能源被建筑系統消耗，而其中大約一半的能源被供暖，通風和空調系統消耗。因此，減少建筑能耗已成為節能最有效，最實用的解決方案之一。在所有建筑構件中，考慮到人類的視覺舒適度和健康要求，窗戶雖必不可少，卻也是最不節能的部分 。如何降低窗戶能耗，是龍祎課題組一直思考的問題。以下是一些技術細節和技術局限。

　　圖1展示了此種輻射冷卻節能竹材的生產流程以及工作原理。在去除竹子中的木質素并填充了環氧樹脂后，均勻分散在乙醇中的銀納米線被通過旋涂的方法覆蓋于樣品的一面，并提供了低輻射涂層（圖1a）。如圖1b所示，銀納米線涂層被放置在室內，不僅可以防止室內外熱交換，還可以降低通過材料本身散發到室內環境中的熱量。至于環氧樹脂方面，由于其輻射率（eLWIR=0.95）高，吸收的熱量可以被散發到外層空間。

　　圖1. 高輻射冷卻竹材的制造流程、工作原理示意圖以及去木質素竹材的XRD、FTIR、成分分析

　　同時，通過掃描電子顯微鏡（SEM），作者對去木質素及環氧樹脂填充前后的竹材的微觀結構進行了分析（圖2）。由于環氧樹脂填充了竹材的多孔結構，從而由此引發的光散射被最小化，使得竹材變得透明。并且，緊密且不規則排布的銀納米線涂層提供了低輻射率。

　　圖2. 竹材去木質素及環氧樹脂填充前后的結構以及銀納米線涂層的電子顯微鏡照片

　　為了找出銀納米線涂層厚度、光學性能以及輻射率之間的關系，0到18層的銀納米線被分別覆蓋于高輻射冷卻竹材的表面。如圖3所示，當覆蓋更多銀納米線涂層后，透射率相應的降低。然而，隨著銀納米線涂層數量的增加，銀納米線涂層達到了相對飽和的狀態。因此，透射率下降得逐漸緩慢。從視覺舒適度以及照明目的來看，此款高輻射冷卻竹材的透射率一直保持在合理的水平。

　　接著作者對銀納米線涂層厚度和輻射率的關系進行了分析。起初，在銀納米線涂層面和環氧樹脂面之間只能觀察到細微的差別（圖3）。但是，隨著銀納米線覆蓋層數的增加，銀納米線涂層面的輻射率低至0.3，而環氧樹脂面為0.95，導致了高達0.65的輻射率差。并且，銀納米線涂層不僅降低了響應面的輻射率，還增大了環氧樹脂面的輻射率。這是由于銀納米線涂層不僅具有低輻射率而且擁有高反射率。銀納米線涂層反射增強了環氧樹脂側的吸收，因此，面向室外的輻射率增加了。

　　此外，為了了解高熱輻射冷卻竹材在窗戶應用中的潛力，已在新加坡模擬了其年度節能性能，并將其與具有類似日光透射率的商業低輻射玻璃和傳統的3 mm硅基玻璃進行了比較（圖3）。在新加坡，高熱輻射冷卻竹材的全年節能性能都超過了商用低輻射玻璃。但此款節能玻璃需進一步提高其機械強度，這是課題組正在解決的問題。

　　圖3. 具有0至18層銀納米線涂層的高熱輻射冷卻竹材的UV-Vis-NIR光譜及其太陽光，可見光以及近紅外透射率；銀納米線面和環氧樹脂面的輻射率以及18層銀納米線涂層樣品的紅外輻射光譜；基于新加坡年度天氣，分別配備3毫米常規玻璃，商用低輻射玻璃和高輻射節能竹材的每月能耗模擬