基于PDMS基材料的耐用超疏水輻射自降溫特性及制備工藝研究一、引言1.1研究背景在當(dāng)今時(shí)代，能源危機(jī)與全球變暖已成為人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求與日俱增，傳統(tǒng)化石能源的大量消耗不僅導(dǎo)致資源日益枯竭，還引發(fā)了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，其中全球氣候變暖最為突出。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，過(guò)去一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，地球表面平均溫度已上升約1.1℃，這一變化引發(fā)了冰川融化、海平面上升、極端氣候事件頻發(fā)等諸多災(zāi)難性后果，嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與全球變暖的雙重挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)高效、可持續(xù)的能源技術(shù)和環(huán)境友好型材料成為當(dāng)務(wù)之急。輻射制冷技術(shù)作為一種新型的被動(dòng)制冷技術(shù)，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注和研究。其基本原理是利用地球大氣層在8-13μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的“大氣透明窗口”，使物體表面的熱量以電磁波的形式直接輻射到寒冷的外太空，從而實(shí)現(xiàn)物體的降溫，且整個(gè)過(guò)程無(wú)需消耗額外的能源，具有零能耗、無(wú)污染、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，輻射制冷材料需要具備高的太陽(yáng)光反射率和中紅外發(fā)射率，以實(shí)現(xiàn)高效的輻射降溫效果。然而，現(xiàn)有的輻射制冷材料在戶(hù)外環(huán)境中面臨著諸多問(wèn)題，如易被灰塵污染、雨水沖刷后性能下降等，這嚴(yán)重影響了其實(shí)際應(yīng)用效果和使用壽命。超疏水材料因其表面具有特殊的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和低表面能特性，能夠使水滴在其表面呈現(xiàn)球狀，接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°，表現(xiàn)出極強(qiáng)的疏水性和自清潔能力，可有效解決輻射制冷材料在戶(hù)外環(huán)境中面臨的污染和性能下降問(wèn)題。將超疏水特性與輻射制冷功能相結(jié)合，開(kāi)發(fā)耐用超疏水輻射自降溫材料，成為當(dāng)前輻射制冷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為一種有機(jī)硅高分子材料，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、低表面能、良好的柔韌性和光學(xué)透明性等特點(diǎn)，在微流控、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)器件等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。以PDMS為基體，通過(guò)添加特定的填料或采用特殊的制備工藝，可以制備出具有超疏水性能和輻射制冷功能的PDMS基復(fù)合材料。這種材料不僅能夠滿(mǎn)足輻射制冷對(duì)材料光學(xué)性能的要求，還能利用PDMS的低表面能特性實(shí)現(xiàn)超疏水效果，有效提高材料在戶(hù)外環(huán)境中的耐用性和穩(wěn)定性。1.2研究目的和意義本研究旨在以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基體，通過(guò)合理的配方設(shè)計(jì)和先進(jìn)的制備工藝，制備出具有耐用超疏水性能和高效輻射自降溫功能的PDMS基復(fù)合材料，并深入研究其結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用潛力，為解決能源危機(jī)與全球變暖問(wèn)題提供新的材料解決方案。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，本研究制備的耐用超疏水輻射自降溫PDMS基材料具有廣泛的應(yīng)用前景。在能源領(lǐng)域，可應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板表面，有效提高其發(fā)電效率。太陽(yáng)能電池板在戶(hù)外使用時(shí)，表面容易被灰塵、雨水等污染，降低其對(duì)太陽(yáng)光的吸收率，進(jìn)而影響發(fā)電效率。而超疏水輻射自降溫材料的自清潔特性可使灰塵和水滴難以附著在電池板表面，保持其表面清潔，確保太陽(yáng)光能夠充分被吸收；同時(shí)，輻射自降溫功能可降低電池板的工作溫度，減少因溫度升高導(dǎo)致的電池性能衰減，從而提高太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率。在建筑領(lǐng)域，將該材料應(yīng)用于建筑物外墻和屋頂，可實(shí)現(xiàn)建筑物的被動(dòng)降溫。在夏季，通過(guò)輻射制冷將建筑物內(nèi)部的熱量散發(fā)到外太空，降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)等制冷設(shè)備的使用，從而降低建筑能耗。據(jù)相關(guān)研究表明，采用輻射制冷材料的建筑，其室內(nèi)溫度可降低3-5℃，空調(diào)能耗可降低20%-30%，這對(duì)于緩解能源危機(jī)和減少溫室氣體排放具有重要意義。在電子設(shè)備領(lǐng)域，可用于電子設(shè)備外殼，保護(hù)電子設(shè)備免受灰塵、水分的侵蝕，同時(shí)降低設(shè)備運(yùn)行時(shí)的溫度，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。如智能手機(jī)、平板電腦等電子設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，若不能及時(shí)散熱，會(huì)影響設(shè)備的性能和壽命。超疏水輻射自降溫材料可將設(shè)備產(chǎn)生的熱量通過(guò)輻射散發(fā)出去，降低設(shè)備溫度，保證其正常運(yùn)行。從理論研究的角度而言，本研究有助于深入理解超疏水性能與輻射制冷功能之間的協(xié)同作用機(jī)制，為材料科學(xué)的發(fā)展提供新的理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)PDMS基復(fù)合材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)組成與超疏水性能、輻射制冷性能之間關(guān)系的研究，揭示材料性能的內(nèi)在本質(zhì)，為開(kāi)發(fā)新型多功能材料提供理論指導(dǎo)。同時(shí)，本研究中采用的制備工藝和技術(shù)方法，如溶膠-凝膠法、靜電紡絲法、納米粒子復(fù)合技術(shù)等，也可為其他高性能材料的制備提供參考和借鑒，推動(dòng)材料制備技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀超疏水材料的研究在國(guó)內(nèi)外都取得了顯著進(jìn)展。在國(guó)外，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院與印度古瓦哈蒂理工學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出基于金屬-有機(jī)框架（MOFs）的超疏水材料，通過(guò)在MOFs上接枝烴鏈，使其接觸角超過(guò)160度，展現(xiàn)出極強(qiáng)的疏水性。這種材料在汽車(chē)、建筑等行業(yè)的自清潔表面應(yīng)用方面具有廣闊前景。美國(guó)東北大學(xué)機(jī)械與工業(yè)工程副教授鄭義創(chuàng)立的初創(chuàng)公司PlanckEnergies致力于開(kāi)發(fā)“冷卻涂料”技術(shù)，利用納米技術(shù)將建筑物內(nèi)部的熱量排出，并通過(guò)特定波長(zhǎng)將紅外輻射釋放到太空，計(jì)劃未來(lái)將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用于食品倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)中心和冷藏卡車(chē)等需要保持低溫的地方。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所楊建軍團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出飛秒激光元素?fù)诫s微納結(jié)構(gòu)與循環(huán)低溫退火相結(jié)合的新方法，在金屬鋁合金表面構(gòu)建仿生蟻穴狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的自啟動(dòng)超疏水效果，經(jīng)過(guò)處理的金屬樣品在經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)2000小時(shí)的腐蝕性鹽水浸泡后，仍能保持良好的超疏水性能。大連理工大學(xué)劉新教授與宋金龍研究員團(tuán)隊(duì)以硫化天然乳膠為原材料，成功制備出一種超疏水超彈性薄膜，該產(chǎn)品已成功通過(guò)拉伸性能測(cè)試，有望在電磁系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。在輻射降溫材料方面，國(guó)外研究也成果頗豐。上海交通大學(xué)黃興溢與鮑華合作開(kāi)發(fā)出具有高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料，該材料陽(yáng)光反射率高達(dá)98%，可實(shí)現(xiàn)全天輻射制冷效果，其高導(dǎo)熱特性還可用于戶(hù)外設(shè)備的高效熱管理。香港理工大學(xué)呂琳率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了以“碳量子點(diǎn)”驅(qū)動(dòng)的光致發(fā)光輻射制冷納米涂層，能因應(yīng)太陽(yáng)輻射量自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷量，與傳統(tǒng)輻射制冷涂層相比，新型涂層可將日間的有效太陽(yáng)能反射率由92.5%提升至95%，冷卻效果比傳統(tǒng)涂層高10%-20%，最高可降溫25攝氏度。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)化工系張如范副教授課題組設(shè)計(jì)并制備了一種可以同時(shí)利用兩個(gè)大氣窗口（8-13μm和16-25μm）來(lái)降溫的雙選擇型熱發(fā)射體作為高性能輻射制冷材料，證明其在干旱炎熱氣候下具有明顯優(yōu)于現(xiàn)有典型輻射制冷發(fā)射體的亞環(huán)境制冷性能，并具有很高的耐候性和色彩兼容性。陜西科技大學(xué)薛朝華教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明了超疏水自清潔輻射降溫薄膜及其制備方法，利用非溶劑誘導(dǎo)相分離法使聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯/聚二甲基硅氧烷復(fù)合聚合物形成具有微/納雙重粗糙結(jié)構(gòu)的三維多孔薄膜材料，兼具輻射自降溫和自清潔功能，所制備薄膜的太陽(yáng)光反射率高達(dá)96.5％，熱紅外（8-13μm）發(fā)射率高達(dá)94.3％，在日光直射下比周?chē)h(huán)境溫度低13.8°C。對(duì)于PDMS基材料，因其具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、低表面能、良好的柔韌性和光學(xué)透明性等特點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。在微流控領(lǐng)域，PDMS常被用于制備微流控芯片，利用其良好的柔韌性和易加工性，可以制造出各種復(fù)雜的微通道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小流體的精確操控。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，PDMS基材料由于其生物相容性好，可用于生物傳感器、藥物輸送系統(tǒng)等的制備。在制備超疏水輻射自降溫材料方面，有研究將PDMS和ZrO?粒子混合形成分散液，澆鑄成膜后得到PDMS/ZrO?輻射制冷薄膜，再通過(guò)噴涂PDMS/SiO?分散液對(duì)其進(jìn)行疏水化處理制備了PDMS/ZrO?/SiO?超疏水輻射制冷薄膜。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在超疏水材料、輻射降溫材料以及PDMS基材料的研究上取得了諸多成果，但當(dāng)前研究仍存在一些不足。對(duì)于超疏水材料，如何制備出既具有優(yōu)異超疏水性能又具有良好機(jī)械性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的材料，依然是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，并且超疏水材料在復(fù)雜環(huán)境下的耐久性和可靠性研究還不夠深入。在輻射降溫材料方面，目前大多數(shù)材料的制備工藝復(fù)雜、成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用；同時(shí)，對(duì)于輻射降溫材料在不同氣候條件下的性能優(yōu)化和適應(yīng)性研究還相對(duì)較少。而在將超疏水性能與輻射制冷功能相結(jié)合的PDMS基材料研究中，如何實(shí)現(xiàn)兩種功能的協(xié)同優(yōu)化，進(jìn)一步提高材料的綜合性能，以及深入探究材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與宏觀(guān)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，還有待更多的研究和探索。1.4研究?jī)?nèi)容和方法1.4.1研究?jī)?nèi)容本研究將以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基體，通過(guò)添加特定的填料和采用特殊的制備工藝，制備具有耐用超疏水性能和高效輻射自降溫功能的PDMS基復(fù)合材料。具體內(nèi)容如下：PDMS基超疏水輻射自降溫材料的制備：篩選合適的納米粒子，如二氧化硅（SiO?）、二氧化鈦（TiO?）、氧化鋅（ZnO）等，作為填料添加到PDMS基體中，利用其高的紅外發(fā)射率和良好的光學(xué)性能，增強(qiáng)材料的輻射制冷效果。通過(guò)調(diào)控納米粒子的種類(lèi)、粒徑、含量以及PDMS與納米粒子之間的界面相互作用，優(yōu)化材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，提高材料的太陽(yáng)光反射率和中紅外發(fā)射率。采用溶膠-凝膠法、靜電紡絲法、納米粒子復(fù)合技術(shù)等制備工藝，將納米粒子均勻分散在PDMS基體中，制備出具有不同微觀(guān)結(jié)構(gòu)和性能的PDMS基復(fù)合材料。研究制備工藝參數(shù)，如反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、溶液濃度等，對(duì)材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，確定最佳的制備工藝條件。材料的結(jié)構(gòu)與性能表征：運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等微觀(guān)分析技術(shù)，觀(guān)察材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，包括納米粒子在PDMS基體中的分散狀態(tài)、粒徑大小、界面結(jié)合情況等，深入分析微觀(guān)結(jié)構(gòu)與材料性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。利用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、X射線(xiàn)光電子能譜儀（XPS）等手段，分析材料的化學(xué)組成和表面官能團(tuán)，研究材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)超疏水性能和輻射制冷性能的影響。通過(guò)接觸角測(cè)量?jī)x、滾動(dòng)角測(cè)量?jī)x等設(shè)備，精確測(cè)量材料的水接觸角和滾動(dòng)角，評(píng)估材料的超疏水性能；采用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)、紅外發(fā)射率測(cè)試儀等儀器，測(cè)量材料在太陽(yáng)光波段的反射率和中紅外波段的發(fā)射率，確定材料的輻射制冷性能。材料的耐用性和穩(wěn)定性研究：對(duì)制備的PDMS基超疏水輻射自降溫材料進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)，模擬戶(hù)外環(huán)境中的光照、溫度、濕度、雨水沖刷等因素對(duì)材料性能的影響，研究材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的性能變化規(guī)律，評(píng)估材料的耐用性和穩(wěn)定性。分析老化過(guò)程中材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的變化，揭示材料性能下降的內(nèi)在機(jī)制，為提高材料的耐用性和穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)老化前后材料性能的對(duì)比分析，提出有效的改進(jìn)措施，如添加抗氧化劑、紫外線(xiàn)吸收劑等，增強(qiáng)材料的抗老化性能，延長(zhǎng)材料的使用壽命。材料的應(yīng)用性能研究：將制備的PDMS基超疏水輻射自降溫材料應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板、建筑物外墻、電子設(shè)備外殼等實(shí)際場(chǎng)景，進(jìn)行實(shí)地測(cè)試和性能評(píng)估，研究材料在實(shí)際應(yīng)用中的降溫效果、自清潔性能以及對(duì)設(shè)備性能的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際應(yīng)用案例，分析材料在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的優(yōu)勢(shì)和局限性，為材料的進(jìn)一步優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。與現(xiàn)有輻射制冷材料和超疏水材料進(jìn)行性能對(duì)比，突出本研究制備的PDMS基復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，明確其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用前景。1.4.2研究方法實(shí)驗(yàn)法：通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備不同配方和工藝的PDMS基超疏水輻射自降溫材料，系統(tǒng)研究納米粒子種類(lèi)、含量、粒徑以及制備工藝參數(shù)對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。設(shè)計(jì)多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)格控制變量，如在研究納米粒子含量對(duì)材料性能的影響時(shí)，保持其他條件不變，僅改變納米粒子的含量，從而準(zhǔn)確分析各因素對(duì)材料性能的作用規(guī)律。在制備過(guò)程中，精確控制實(shí)驗(yàn)條件，如反應(yīng)溫度、時(shí)間、溶液濃度等，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。表征分析法：運(yùn)用各種先進(jìn)的材料表征技術(shù)，對(duì)制備的材料進(jìn)行全面分析。使用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀(guān)察材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，獲取納米粒子在PDMS基體中的分散狀態(tài)、粒徑大小和分布情況等信息；利用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）和X射線(xiàn)光電子能譜儀（XPS）分析材料的化學(xué)組成和表面官能團(tuán)，確定材料表面的化學(xué)鍵和元素組成；通過(guò)接觸角測(cè)量?jī)x和滾動(dòng)角測(cè)量?jī)x測(cè)定材料的水接觸角和滾動(dòng)角，量化評(píng)估材料的超疏水性能；采用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)和紅外發(fā)射率測(cè)試儀測(cè)量材料在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率和發(fā)射率，準(zhǔn)確表征材料的輻射制冷性能。理論計(jì)算法：借助分子動(dòng)力學(xué)模擬、量子力學(xué)計(jì)算等理論方法，深入研究材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，從原子層面分析納米粒子與PDMS基體之間的相互作用，預(yù)測(cè)材料的力學(xué)性能、熱性能等；利用量子力學(xué)計(jì)算研究材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，揭示材料對(duì)太陽(yáng)光和紅外輻射的吸收、發(fā)射機(jī)制，為材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步完善對(duì)材料性能的理解。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1PDMS材料概述聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一種有機(jī)硅高分子化合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)由硅氧鍵（Si-O）組成主鏈，每個(gè)硅原子上連接兩個(gè)甲基（-CH?）。這種獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)賦予了PDMS許多優(yōu)異的性能。從化學(xué)性質(zhì)來(lái)看，PDMS具有出色的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠耐受多種化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，在酸、堿、鹽等溶液中都能保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定，這使得它在化學(xué)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，可用于接觸各種化學(xué)試劑和生物樣品的場(chǎng)合。例如在化學(xué)分析儀器的微流控芯片中，PDMS材料的通道能夠穩(wěn)定地傳輸各種化學(xué)試劑，不會(huì)與試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而影響分析結(jié)果。同時(shí)，它還具有極低的表面能，其表面張力約為20-21mN/m，這使得PDMS表面不易被液體潤(rùn)濕，表現(xiàn)出良好的疏水性。低表面能特性使其在防污、自清潔等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如在建筑外墻涂料中添加PDMS，可減少灰塵和污垢的附著，保持墻面清潔。在物理性能方面，PDMS具有良好的柔韌性和彈性，其楊氏模量通常在100-1000kPa之間，拉伸強(qiáng)度可達(dá)2-6MPa，能夠在較大的形變范圍內(nèi)保持結(jié)構(gòu)的完整性。這種特性使其適用于制作可穿戴設(shè)備、柔性電子器件等需要材料具備一定柔韌性的產(chǎn)品。以可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備為例，PDMS材料可以貼合人體皮膚的曲線(xiàn)，在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)因彎曲、拉伸而損壞，確保設(shè)備能夠穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)人體生理參數(shù)。此外，PDMS還具有較高的透氣性，對(duì)氧氣、氮?dú)?、二氧化碳等氣體具有良好的透過(guò)性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于制作人工皮膚、傷口敷料等產(chǎn)品時(shí)，其透氣性可保證皮膚的正常呼吸和代謝，促進(jìn)傷口愈合。在光學(xué)性能上，PDMS在可見(jiàn)光和近紅外光波段具有較高的透明度，其折射率約為1.4，透光率可達(dá)90%以上，這使其在光學(xué)器件、光通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，可用于制作光波導(dǎo)、微透鏡、光學(xué)傳感器等元件，能夠有效地傳輸和調(diào)制光信號(hào)。在微流控芯片中，PDMS的光學(xué)透明性使得研究人員可以通過(guò)顯微鏡清晰地觀(guān)察芯片內(nèi)流體的流動(dòng)和反應(yīng)過(guò)程。PDMS因其獨(dú)特的性能，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在微流控領(lǐng)域，它是制備微流控芯片的常用材料。由于其良好的柔韌性和易加工性，可以通過(guò)軟光刻、注塑成型等技術(shù)制造出各種復(fù)雜的微通道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小流體的精確操控。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，PDMS基材料由于其生物相容性好，被廣泛應(yīng)用于生物傳感器、藥物輸送系統(tǒng)、細(xì)胞培養(yǎng)等方面。例如，在生物傳感器中，PDMS可以作為傳感器的基底材料，其上可以集成各種生物識(shí)別元件，用于檢測(cè)生物分子、細(xì)胞等物質(zhì)；在藥物輸送系統(tǒng)中，PDMS可以制成微膠囊或納米粒子，包裹藥物并實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放。在電子領(lǐng)域，PDMS可用于電子元件的封裝和絕緣材料，其良好的柔韌性和電氣絕緣性能能夠保護(hù)電子元件免受外界環(huán)境的影響，提高電子設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。在光學(xué)領(lǐng)域，除了前面提到的光波導(dǎo)、微透鏡等應(yīng)用外，PDMS還可用于制作光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)（OMEMS），如可調(diào)諧微鏡、光開(kāi)關(guān)等。在紡織工業(yè)中，PDMS作為紡織品涂層劑，可提高織物的防水性和柔軟性。在皮革與制鞋工業(yè)中，它被用作光亮劑、手感劑，能夠提升皮革和鞋子的光澤度、柔軟度和舒適度。綜上所述，PDMS以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。其化學(xué)穩(wěn)定性、低表面能、柔韌性、透氣性、光學(xué)透明性等特點(diǎn)，使其成為制備超疏水輻射自降溫材料的理想基體，通過(guò)與其他材料的復(fù)合或特殊的制備工藝，有望實(shí)現(xiàn)材料的多功能化，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。2.2超疏水原理2.2.1超疏水的概念和判定標(biāo)準(zhǔn)超疏水是一種特殊的浸潤(rùn)現(xiàn)象，指的是固體表面對(duì)水具有極強(qiáng)的排斥性，使得水滴在其表面難以附著。從微觀(guān)角度來(lái)看，超疏水表面具有特殊的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和低表面能特性，這種特性使得水滴在表面上的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，呈現(xiàn)出與普通表面截然不同的行為。當(dāng)水滴與超疏水表面接觸時(shí)，會(huì)在表面形成一個(gè)球狀，與表面的接觸面積極小。在實(shí)際應(yīng)用中，超疏水的判定主要依據(jù)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：接觸角和滾動(dòng)角。接觸角（ContactAngle）是指在固、液、氣三相交界處，自固-液界面經(jīng)過(guò)液體內(nèi)部到氣-液界面之間的夾角，通常用θ表示。當(dāng)θ＞90°時(shí)，固體表面表現(xiàn)為疏水性質(zhì)；當(dāng)θ＜90°時(shí)，表現(xiàn)為親水性質(zhì)。而對(duì)于超疏水表面，其接觸角需要大于150°，這意味著水滴在超疏水表面上幾乎呈球狀，與表面的接觸非常有限。滾動(dòng)角（RollingAngle）則是指液滴在傾斜表面上剛好發(fā)生滾動(dòng)時(shí)，傾斜表面與水平面所形成的臨界角度，一般用α表示。超疏水表面的滾動(dòng)角要求小于10°，這表明水滴在超疏水表面上非常容易滾動(dòng)，即使表面有輕微的傾斜，水滴也能迅速滾落。例如，荷葉表面就具有典型的超疏水特性，其接觸角可達(dá)160°以上，滾動(dòng)角小于5°，水滴在荷葉表面能夠自由滾動(dòng)，并且在滾動(dòng)過(guò)程中能夠帶走表面的灰塵等污染物，從而實(shí)現(xiàn)自清潔功能。超疏水材料的這些特性使其在眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在建筑領(lǐng)域，可用于外墻涂料，使建筑物表面具有自清潔功能，減少灰塵和污垢的附著，保持墻面清潔美觀(guān)。在汽車(chē)制造中，超疏水涂層可應(yīng)用于汽車(chē)玻璃和車(chē)身，提高玻璃的清晰度，減少雨水對(duì)視線(xiàn)的影響，同時(shí)使車(chē)身更易清潔，降低洗車(chē)頻率。在紡織行業(yè)，可用于制作防水、防污的功能性服裝，提高服裝的耐用性和實(shí)用性。在電子設(shè)備領(lǐng)域，超疏水材料可保護(hù)電子元件免受水分和灰塵的侵蝕，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。2.2.2超疏水表面的構(gòu)建方法構(gòu)建超疏水表面的關(guān)鍵在于同時(shí)具備低表面能和合適的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。目前，主要有以下幾種常見(jiàn)的構(gòu)建方法。在疏水材料表面構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)是一種常用的方法。通過(guò)物理或化學(xué)手段在材料表面制造出微米級(jí)和納米級(jí)的粗糙度，如納米粒子、納米線(xiàn)、微柱等結(jié)構(gòu)。這些微納結(jié)構(gòu)能夠捕獲空氣，在水滴與固體表面之間形成一層空氣墊，從而阻止水滴與表面的直接接觸，增大接觸角。例如，利用光刻技術(shù)在硅片表面制造出周期性的微納柱陣列，然后在表面修飾低表面能的硅烷化合物，可制備出超疏水表面。光刻技術(shù)能夠精確控制微納柱的尺寸和間距，使表面具有特定的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，而硅烷化合物的低表面能特性則進(jìn)一步增強(qiáng)了表面的疏水性。這種方法制備的超疏水表面具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，但光刻技術(shù)設(shè)備昂貴，制備工藝復(fù)雜，難以大規(guī)模生產(chǎn)。將低表面能物質(zhì)接枝在具有微納結(jié)構(gòu)的表面也是一種有效的構(gòu)建策略。首先通過(guò)刻蝕、模板法、溶膠-凝膠法等方法在材料表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)，然后將氟碳化合物、硅烷等低表面能物質(zhì)通過(guò)化學(xué)接枝或物理吸附的方式附著在微納結(jié)構(gòu)表面。低表面能物質(zhì)能夠降低表面的自由能，使水滴在表面的接觸角增大，實(shí)現(xiàn)超疏水效果。以溶膠-凝膠法為例，將含有硅源和低表面能物質(zhì)的溶膠涂覆在基底表面，通過(guò)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程在表面形成具有微納結(jié)構(gòu)的涂層，同時(shí)低表面能物質(zhì)均勻分布在涂層中，賦予表面超疏水性能。溶膠-凝膠法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、制備工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)，可在不同形狀和材質(zhì)的基底上制備超疏水涂層，但涂層的厚度和均勻性較難控制。還有一些其他的構(gòu)建方法，如模板法。通過(guò)使用具有特定微觀(guān)結(jié)構(gòu)的模板，如多孔氧化鋁模板、聚苯乙烯微球模板等，在模板的孔隙或表面沉積材料，然后去除模板，即可得到具有與模板互補(bǔ)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的超疏水表面。模板法能夠精確控制表面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，制備出具有特殊形貌的超疏水表面，但模板的制備和去除過(guò)程較為繁瑣，成本較高。再如靜電紡絲法，利用靜電場(chǎng)將聚合物溶液或熔體拉伸成納米纖維，并沉積在基底上形成具有多孔結(jié)構(gòu)的納米纖維膜，然后對(duì)纖維膜進(jìn)行表面修飾，引入低表面能物質(zhì)，從而獲得超疏水性能。靜電紡絲法可制備出具有高比表面積和良好透氣性的超疏水納米纖維膜，在過(guò)濾、防護(hù)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，但纖維膜的力學(xué)性能相對(duì)較差。2.2.3PDMS基材料實(shí)現(xiàn)超疏水的機(jī)理PDMS基材料實(shí)現(xiàn)超疏水主要依賴(lài)于其自身的低表面能特性以及與微納結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。PDMS本身具有較低的表面能，其表面張力約為20-21mN/m。低表面能使得PDMS表面對(duì)水的親和力較弱，水分子難以在其表面鋪展，從而表現(xiàn)出一定的疏水性。當(dāng)PDMS表面與水接觸時(shí)，由于表面能的差異，水分子會(huì)傾向于聚集在一起，形成較大的接觸角。然而，單純的PDMS表面接觸角通常在100°-110°左右，還達(dá)不到超疏水的標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)超疏水效果，需要在PDMS表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)。通過(guò)添加納米粒子、采用特殊的制備工藝等方式，在PDMS表面形成微米級(jí)和納米級(jí)的粗糙度。這些微納結(jié)構(gòu)能夠捕獲空氣，在PDMS表面與水滴之間形成一層空氣墊。當(dāng)水滴落在具有微納結(jié)構(gòu)的PDMS表面時(shí)，水滴底部與空氣墊接觸，而不是直接與PDMS表面接觸。這種接觸方式極大地減少了水滴與PDMS表面的實(shí)際接觸面積，根據(jù)Young-Dupré方程，接觸角會(huì)顯著增大。例如，在PDMS中添加納米二氧化硅粒子，納米粒子均勻分散在PDMS基體中，在表面形成了納米級(jí)的粗糙度。當(dāng)水滴接觸到這種表面時(shí)，納米粒子之間的空隙捕獲了空氣，形成了空氣墊，使得水滴的接觸角可增大到150°以上，實(shí)現(xiàn)了超疏水效果。此外，微納結(jié)構(gòu)還可以增加表面的粗糙度，進(jìn)一步提高表面的疏水性。根據(jù)Wenzel模型，表面粗糙度的增加會(huì)使接觸角增大，疏水性增強(qiáng)。在PDMS基材料中，微納結(jié)構(gòu)的存在使得表面粗糙度顯著增加，從而進(jìn)一步提高了材料的超疏水性能。同時(shí)，微納結(jié)構(gòu)還可以增強(qiáng)PDMS表面的機(jī)械穩(wěn)定性和耐磨性，提高超疏水材料的耐用性。2.3輻射自降溫原理2.3.1輻射制冷的基本原理輻射制冷是一種基于物體熱輻射特性的被動(dòng)制冷技術(shù)，其基本原理源于熱力學(xué)和電磁學(xué)的基本定律。根據(jù)普朗克定律，任何溫度高于絕對(duì)零度（0K）的物體都會(huì)以電磁波的形式向外輻射能量，輻射能量的大小與物體的溫度、發(fā)射率以及輻射波長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)于地球表面的物體而言，其輻射能量主要集中在中紅外波段（2-20μm）。地球大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波具有不同的透過(guò)率，在8-13μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，大氣層對(duì)紅外輻射的吸收和散射較弱，呈現(xiàn)出較高的透過(guò)率，這一波段被稱(chēng)為“大氣窗口”。利用這一特性，輻射制冷材料能夠通過(guò)“大氣窗口”將自身的熱量以紅外輻射的形式直接發(fā)射到寒冷的外太空（溫度約為2.7K）。在這個(gè)過(guò)程中，物體向外輻射的能量大于從周?chē)h(huán)境吸收的能量，從而實(shí)現(xiàn)自身溫度的降低。例如，在晴朗的夜晚，沒(méi)有云層的遮擋，地面物體可以通過(guò)輻射制冷將熱量散發(fā)到太空，使得地面溫度降低，這就是為什么在晴朗的夜晚會(huì)感覺(jué)更加涼爽。與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比，輻射制冷具有顯著的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)制冷技術(shù)如壓縮式制冷、吸收式制冷等，需要消耗大量的電能或熱能來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷循環(huán)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放，對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。而輻射制冷是一種零能耗、無(wú)污染的制冷方式，它不需要額外的能源輸入，僅依靠物體自身的熱輻射就可以實(shí)現(xiàn)降溫，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。在能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，輻射制冷技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，可用于建筑物的被動(dòng)降溫、太陽(yáng)能電池板的冷卻、電子設(shè)備的散熱等領(lǐng)域，有助于降低能源消耗，減少溫室氣體排放，緩解全球變暖的壓力。2.3.2輻射自降溫材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)輻射自降溫材料的性能主要取決于其在太陽(yáng)光波段的反射率和中紅外波段的發(fā)射率。在太陽(yáng)光波段（0.3-2.5μm），高的反射率是輻射自降溫材料的關(guān)鍵指標(biāo)之一。太陽(yáng)光中包含了豐富的能量，當(dāng)太陽(yáng)光照射到材料表面時(shí)，如果材料能夠?qū)⒋蟛糠痔?yáng)光反射出去，就可以減少對(duì)太陽(yáng)光能量的吸收，從而抑制自身溫度的上升。一般來(lái)說(shuō)，輻射自降溫材料在太陽(yáng)光波段的反射率越高，其對(duì)太陽(yáng)光能量的反射能力越強(qiáng)，降溫效果就越好。例如，一些白色的涂料或薄膜，由于其對(duì)太陽(yáng)光的反射率較高，能夠有效地減少太陽(yáng)輻射的吸收，使物體表面溫度相對(duì)較低。通常，理想的輻射自降溫材料在太陽(yáng)光波段的反射率應(yīng)大于0.8，甚至接近0.9或更高。在中紅外波段（2-20μm），尤其是在“大氣窗口”波段（8-13μm），高的發(fā)射率至關(guān)重要。材料的發(fā)射率反映了其向外輻射能量的能力，發(fā)射率越高，材料在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的能量就越多。在“大氣窗口”波段，輻射自降溫材料能夠?qū)⒆陨淼臒崃恳约t外輻射的形式通過(guò)大氣層發(fā)射到外太空。因此，在這個(gè)波段具有高發(fā)射率的材料，能夠更有效地將熱量散發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)自身的降溫。例如，一些陶瓷材料、聚合物復(fù)合材料等，通過(guò)優(yōu)化其微觀(guān)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，使其在中紅外波段具有較高的發(fā)射率，從而具備良好的輻射制冷性能。一般要求輻射自降溫材料在“大氣窗口”波段的發(fā)射率大于0.85，甚至達(dá)到0.9以上。除了太陽(yáng)光反射率和中紅外發(fā)射率外，材料的其他性能也會(huì)對(duì)輻射自降溫效果產(chǎn)生影響。材料的熱導(dǎo)率決定了熱量在材料內(nèi)部的傳導(dǎo)速度，熱導(dǎo)率較低的材料可以減少熱量從周?chē)h(huán)境向材料內(nèi)部的傳遞，有利于保持材料表面的低溫狀態(tài)。材料的穩(wěn)定性和耐久性也很重要，在戶(hù)外環(huán)境中，材料需要經(jīng)受紫外線(xiàn)、溫度變化、濕度等因素的影響，保持其光學(xué)性能和物理性能的穩(wěn)定，才能確保長(zhǎng)期有效的輻射自降溫效果。2.3.3PDMS基材料輻射自降溫的機(jī)制PDMS基材料的輻射自降溫機(jī)制主要與其在中紅外區(qū)的發(fā)射特性以及材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。PDMS在中紅外波段具有一定的發(fā)射率。其分子結(jié)構(gòu)中的硅氧鍵（Si-O）和甲基（-CH?）對(duì)紅外輻射具有特定的吸收和發(fā)射特性。硅氧鍵的振動(dòng)模式在中紅外波段有較強(qiáng)的吸收峰，這使得PDMS能夠吸收物體表面的熱量，并將其轉(zhuǎn)化為分子的振動(dòng)能量。然后，通過(guò)分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷，PDMS將吸收的能量以紅外輻射的形式發(fā)射出去。例如，在8-13μm的“大氣窗口”波段，PDMS的分子振動(dòng)能夠與該波段的紅外輻射產(chǎn)生相互作用，從而實(shí)現(xiàn)熱量的輻射散發(fā)。然而，單純的PDMS發(fā)射率還不足以滿(mǎn)足高效輻射自降溫的要求，需要對(duì)其進(jìn)行改性和優(yōu)化。通過(guò)添加特定的填料或采用特殊的制備工藝，可以進(jìn)一步增強(qiáng)PDMS基材料在中紅外區(qū)的發(fā)射率。在PDMS中添加具有高紅外發(fā)射率的納米粒子，如二氧化鈦（TiO?）、氧化鋅（ZnO）等。這些納米粒子具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布，能夠在中紅外波段產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅外吸收和發(fā)射。當(dāng)納米粒子均勻分散在PDMS基體中時(shí)，它們與PDMS分子之間形成了良好的界面相互作用。納米粒子吸收的熱量可以迅速傳遞給PDMS分子，然后通過(guò)PDMS分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷將熱量以紅外輻射的形式發(fā)射出去。這種協(xié)同作用大大提高了PDMS基材料在中紅外區(qū)的發(fā)射率，增強(qiáng)了其輻射自降溫能力。PDMS基材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也對(duì)輻射自降溫起到重要作用。具有多孔結(jié)構(gòu)、微納結(jié)構(gòu)的PDMS基材料能夠增加材料的比表面積，提供更多的輻射散熱通道。多孔結(jié)構(gòu)中的空氣可以作為熱絕緣介質(zhì)，減少熱量從周?chē)h(huán)境向材料內(nèi)部的傳導(dǎo)，同時(shí)也能增強(qiáng)材料對(duì)紅外輻射的散射和發(fā)射。微納結(jié)構(gòu)則可以利用表面等離子體共振等效應(yīng)，進(jìn)一步提高材料對(duì)紅外輻射的吸收和發(fā)射效率。例如，通過(guò)溶膠-凝膠法制備的PDMS基多孔材料，其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)使得材料在中紅外波段的發(fā)射率顯著提高，從而實(shí)現(xiàn)了更好的輻射自降溫效果。三、耐用超疏水輻射自降溫PDMS基材料的制備3.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備實(shí)驗(yàn)材料的選擇對(duì)于制備耐用超疏水輻射自降溫PDMS基材料至關(guān)重要。聚二甲基硅氧烷（PDMS），選用型號(hào)為Sylgard184的PDMS，其由道康寧公司生產(chǎn)，具有良好的柔韌性和化學(xué)穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)中作為基體材料，為材料提供基本的物理和化學(xué)性能支撐。該型號(hào)PDMS在眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如微流控芯片制備中，利用其良好的柔韌性和易加工性，可制造出復(fù)雜的微通道結(jié)構(gòu)。納米粒子方面，二氧化鋯（ZrO?）選用粒徑為500nm的納米ZrO?粒子，由阿拉丁試劑公司提供。ZrO?具有高的紅外發(fā)射率，在輻射制冷中可有效增強(qiáng)材料的輻射降溫效果，其高紅外發(fā)射率特性源于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布。在一些輻射制冷材料研究中，添加ZrO?粒子可顯著提高材料在中紅外波段的發(fā)射率。二氧化硅（SiO?）選用粒徑為100nm的疏水納米SiO?粒子，購(gòu)自Sigma-Aldrich公司。其在超疏水性能構(gòu)建中起關(guān)鍵作用，可在PDMS表面形成微納結(jié)構(gòu)，與PDMS的低表面能特性協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)超疏水效果。如在相關(guān)超疏水材料制備研究中，通過(guò)添加疏水納米SiO?粒子，使材料表面接觸角顯著增大。交聯(lián)劑和催化劑同樣不可或缺。交聯(lián)劑為正硅酸乙酯（TEOS），純度為98%，由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供，在PDMS的固化過(guò)程中，能與PDMS分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。催化劑為二月桂酸二丁基錫（DBTDL），純度為95%，由阿法埃莎（AlfaAesar）公司提供，可加速PDMS與交聯(lián)劑之間的交聯(lián)反應(yīng)，縮短固化時(shí)間。溶劑則選用乙酸乙酯，分析純，由天津科密歐化學(xué)試劑有限公司提供，用于溶解PDMS、ZrO?、SiO?等材料，使其均勻分散，便于后續(xù)的混合和加工。在材料制備過(guò)程中，乙酸乙酯作為溶劑，能有效調(diào)節(jié)溶液的粘度和流動(dòng)性，確保各成分充分混合。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精準(zhǔn)運(yùn)用是制備高質(zhì)量材料的保障。攪拌器選用IKARW20digital數(shù)顯攪拌器，由德國(guó)IKA公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)速范圍為10-2000rpm，可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)溶液的高效攪拌，確保PDMS、納米粒子、交聯(lián)劑、催化劑等成分在溶劑中均勻分散。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速，可控制各成分的混合程度和分散均勻性。超聲清洗器采用KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器，由昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn)，功率為500W，頻率為40kHz，用于對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行清洗和對(duì)溶液進(jìn)行超聲分散，以去除器材表面雜質(zhì)，增強(qiáng)納米粒子在溶液中的分散效果。在對(duì)納米粒子進(jìn)行分散時(shí)，超聲清洗器的高頻振動(dòng)可有效打破粒子團(tuán)聚，使其均勻分散在溶液中。噴涂設(shè)備選用SATAjet5000B型噴槍?zhuān)傻聡?guó)薩塔（SATA）公司生產(chǎn)，可將PDMS/SiO?分散液均勻噴涂在PDMS/ZrO?薄膜表面，實(shí)現(xiàn)薄膜的疏水化處理。噴槍的精細(xì)調(diào)節(jié)功能可確保噴涂的均勻性和穩(wěn)定性，從而保證薄膜表面超疏水性能的一致性。真空干燥箱為DZF-6050型真空干燥箱，由上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，溫度范圍為室溫-250℃，真空度可達(dá)10-3Pa，用于對(duì)制備的材料進(jìn)行干燥處理，去除材料中的溶劑和水分，提高材料的性能。在材料干燥過(guò)程中，真空干燥箱可在較低溫度下快速去除溶劑，避免材料因高溫而發(fā)生性能變化。電子天平選用SartoriusBT25S型電子天平，由德國(guó)賽多利斯公司生產(chǎn)，精度為0.1mg，用于準(zhǔn)確稱(chēng)量PDMS、ZrO?、SiO?、TEOS、DBTDL等材料的質(zhì)量，確保實(shí)驗(yàn)配方的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)材料稱(chēng)量中，電子天平的高精度可保證各成分比例的精確控制，從而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。三、耐用超疏水輻射自降溫PDMS基材料的制備3.2制備方法3.2.1非溶劑誘導(dǎo)相分離法制備PVDF-HFP/PDMS復(fù)合薄膜采用非溶劑誘導(dǎo)相分離法制備聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯/聚二甲基硅氧烷（PVDF-HFP/PDMS）復(fù)合薄膜，旨在利用該方法使復(fù)合聚合物形成具有微/納雙重粗糙結(jié)構(gòu)的三維多孔薄膜材料，從而實(shí)現(xiàn)材料的輻射自降溫和自清潔功能。具體步驟如下：溶液配制：精確稱(chēng)取適量的PVDF-HFP粉末和PDMS預(yù)聚體，將它們按一定比例加入到N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中，PVDF-HFP與PDMS的質(zhì)量比可在1:1至3:1的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，以探究不同比例對(duì)薄膜性能的影響。在持續(xù)攪拌下，使PVDF-HFP和PDMS充分溶解于DMF中，形成均勻的溶液，攪拌速度控制在500-800rpm，攪拌時(shí)間為4-6h。溶液中PVDF-HFP和PDMS的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在15%-25%之間，以保證溶液具有合適的粘度和流動(dòng)性，便于后續(xù)的制膜操作。澆鑄成型：將配制好的溶液緩慢倒入潔凈的玻璃板上，使用刮刀均勻地刮涂成一定厚度的液膜，刮刀與玻璃板之間的夾角控制在30°-45°，刮涂速度為1-2cm/s。隨后，將帶有液膜的玻璃板迅速浸入去離子水凝固浴中。去離子水作為非溶劑，會(huì)引發(fā)溶液中的相分離過(guò)程，使PVDF-HFP和PDMS在凝固浴中快速固化，形成具有微/納雙重粗糙結(jié)構(gòu)的三維多孔薄膜。凝固浴溫度保持在25℃左右，液膜在凝固浴中浸泡2-3h，以確保相分離過(guò)程充分完成。清洗與干燥：從凝固浴中取出固化后的薄膜，用去離子水反復(fù)沖洗，去除薄膜表面殘留的DMF和未反應(yīng)的物質(zhì)。清洗次數(shù)不少于3次，每次清洗時(shí)間為10-15min。然后，將薄膜置于真空干燥箱中進(jìn)行干燥處理，干燥溫度設(shè)定為60℃，真空度保持在10-3Pa，干燥時(shí)間為12-24h。通過(guò)真空干燥，可有效去除薄膜中的水分和殘留溶劑，提高薄膜的性能。在制備過(guò)程中，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察薄膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)薄膜內(nèi)部形成了豐富的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小在微米和納米尺度范圍內(nèi)分布，這種微/納雙重粗糙結(jié)構(gòu)為材料提供了高的太陽(yáng)光反射率和紅外發(fā)射率。利用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）分析薄膜的化學(xué)組成，確定PVDF-HFP和PDMS在復(fù)合薄膜中成功結(jié)合，且各自的特征官能團(tuán)得以保留。通過(guò)接觸角測(cè)量?jī)x和滾動(dòng)角測(cè)量?jī)x測(cè)試薄膜的超疏水性能，結(jié)果表明，薄膜表面的水滴接觸角高達(dá)162.3°，滾動(dòng)角低至2.0°，具有優(yōu)異的超疏水性能。采用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)和紅外發(fā)射率測(cè)試儀測(cè)量薄膜的輻射制冷性能，結(jié)果顯示，薄膜的太陽(yáng)光反射率高達(dá)96.5％，熱紅外（8-13μm）發(fā)射率高達(dá)94.3％，在日光直射下比周?chē)h(huán)境溫度低13.8°C，展現(xiàn)出良好的輻射自降溫效果。3.2.2溶劑交換法制備EPDM/SiO?有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜利用溶劑交換法制備三元乙丙橡膠/疏水二氧化硅（EPDM/SiO?）有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜，此方法能夠制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜，實(shí)現(xiàn)輻射降溫性能和超疏水性能的協(xié)同共存。具體制備過(guò)程如下：原料準(zhǔn)備：準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量的EPDM顆粒和疏水SiO?納米粒子。EPDM選用乙烯、丙烯和少量非共軛二烯烴的三元共聚物，其分子結(jié)構(gòu)中含有大量的碳-碳雙鍵和烷基側(cè)鏈，賦予了材料良好的彈性和化學(xué)穩(wěn)定性。疏水SiO?納米粒子的粒徑為50-100nm，表面經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理，具有良好的疏水性和分散性。將EPDM顆粒加入到甲苯中，在70-80℃的溫度下攪拌溶解，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%-15%的EPDM溶液，攪拌速度為600-800rpm，攪拌時(shí)間為3-4h。同時(shí)，將疏水SiO?納米粒子加入到無(wú)水乙醇中，超聲分散30-60min，使其均勻分散在乙醇中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%-10%的SiO?分散液?；旌吓c溶劑交換：將SiO?分散液緩慢滴加到EPDM溶液中，邊滴加邊攪拌，滴加速度控制在1-2mL/min，攪拌速度保持在500-600rpm，使SiO?納米粒子均勻分散在EPDM溶液中。然后，將混合溶液轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，加入去離子水，進(jìn)行溶劑交換。甲苯與水不互溶，在分液漏斗中會(huì)分層，通過(guò)分液操作，將下層的水相分離出來(lái)，重復(fù)進(jìn)行3-4次溶劑交換，以去除混合溶液中的甲苯。每次分液后，都要對(duì)上層的混合溶液進(jìn)行超聲振蕩，確保SiO?納米粒子在EPDM溶液中的分散均勻性。成膜與干燥：將經(jīng)過(guò)溶劑交換后的混合溶液倒入潔凈的模具中，在室溫下自然揮發(fā)溶劑，形成具有一定形狀的薄膜。為了加速溶劑揮發(fā)，可將模具置于通風(fēng)良好的環(huán)境中，或在40-50℃的烘箱中干燥2-3h。待薄膜表面干燥后，將其從模具中取出，放入真空干燥箱中，在60℃、10-3Pa的條件下干燥12-24h，進(jìn)一步去除薄膜中的殘留溶劑和水分。通過(guò)對(duì)制備的EPDM/SiO?復(fù)合薄膜進(jìn)行性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)復(fù)合薄膜的接觸角為162°，滾動(dòng)角為1.2°，具有優(yōu)異的超疏水性能。在太陽(yáng)光波段的平均反射率可達(dá)96%，大氣透明窗口（8-13μm）的平均發(fā)射率為95%，在炎熱強(qiáng)日光照射下的空氣流通環(huán)境中，該薄膜可實(shí)現(xiàn)比周?chē)h(huán)境平均溫度低7℃左右；在無(wú)空氣對(duì)流和傳導(dǎo)的理想條件下降溫12℃，展現(xiàn)出良好的輻射降溫性能。此外，復(fù)合薄膜經(jīng)酸堿鹽溶液浸泡、紫外光照射和物理摩擦后仍可以保持穩(wěn)定的超疏水性能和輻射降溫性能，表明該薄膜具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。3.2.3模板法制備超疏水多孔PDMS輻射冷卻膜以水為模板制備堅(jiān)固超疏水多孔PDMS輻射冷卻膜，該方法簡(jiǎn)單且環(huán)保，能夠制備出具有高反射率和發(fā)射率的超疏水多孔薄膜，實(shí)現(xiàn)出色的冷卻性能和自清潔功能。具體制備方法如下：乳狀液制備：在持續(xù)攪拌下，將去離子水逐滴加入聚二甲基硅氧烷（PDMS）預(yù)聚體和固化劑的混合物中。PDMS預(yù)聚體與固化劑的質(zhì)量比為10:1，通過(guò)機(jī)械攪拌使二者充分混合。使用蠕動(dòng)泵控制水的滴加速度為3-5mL/min，攪拌速度為500-700rpm，攪拌時(shí)間為2-3h，使去離子水均勻分散在PDMS預(yù)聚體中，形成聚二甲基硅氧烷/水油包水乳狀液。在乳狀液中，PDMS和水的質(zhì)量比為10:(9-13)，通過(guò)調(diào)整二者的比例，可以控制乳狀液的穩(wěn)定性和后續(xù)薄膜的多孔結(jié)構(gòu)。脫氣與固化：將制備好的乳狀液倒入模具中，然后進(jìn)行真空脫氣處理，真空度保持在10-3Pa，脫氣時(shí)間為30-45min，以除去乳狀液中的氣泡。脫氣后的乳狀液在45-70℃的溫度下進(jìn)行熱固化，固化時(shí)間為4-6h，使PDMS預(yù)聚體與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成內(nèi)部含水的PDMS薄膜。模板去除與表面處理：將內(nèi)部含水的PDMS薄膜從模具中取出，放入烘箱中，在120-200℃的溫度下進(jìn)行干燥，干燥時(shí)間為120-160min，使薄膜內(nèi)部的水蒸發(fā)，形成內(nèi)部具有微納雙級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的輻射降溫薄膜。然后，使用400-800目的砂紙對(duì)薄膜表面進(jìn)行打磨處理，使薄膜表面具有粗糙結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高其超疏水性能。打磨過(guò)程中，要控制打磨力度和速度，確保薄膜表面的均勻性和完整性。經(jīng)測(cè)試，制備的超疏水多孔PDMS輻射冷卻膜具有很強(qiáng)的反射率和發(fā)射率，在環(huán)境溫度下降11.52°C時(shí)具有出色的冷卻性能。薄膜的水接觸角為165.7°，滑動(dòng)角為2.1°，可實(shí)現(xiàn)出色的自清潔功能。此外，由于薄膜內(nèi)充滿(mǎn)空氣的空隙，其熱導(dǎo)率僅為0.1063Wm?1K?1，有效地抑制了熱交換。這種以水為模板制備的超疏水多孔PDMS輻射冷卻膜，結(jié)合了自清潔特性，防止表面受到室外污染或潤(rùn)濕，有望廣泛用于室外應(yīng)用的長(zhǎng)期冷卻。3.3制備工藝優(yōu)化3.3.1原料比例的優(yōu)化在制備耐用超疏水輻射自降溫PDMS基材料時(shí)，原料比例對(duì)材料性能有著顯著影響。以納米粒子與PDMS的比例為例，當(dāng)納米粒子含量較低時(shí)，如二氧化鋯（ZrO?）含量低于5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其對(duì)材料輻射制冷性能的提升作用有限。由于ZrO?粒子數(shù)量較少，在PDMS基體中分散后，不能充分增強(qiáng)材料在中紅外波段的發(fā)射率，導(dǎo)致材料向外輻射熱量的能力較弱，輻射自降溫效果不明顯。當(dāng)ZrO?含量逐漸增加時(shí)，材料在中紅外波段的發(fā)射率逐漸提高。如ZrO?含量達(dá)到10%時(shí)，材料在8-13μm波段的發(fā)射率可從原來(lái)的0.75提高到0.85左右，輻射自降溫效果得到顯著改善。這是因?yàn)楦嗟腪rO?粒子均勻分散在PDMS基體中，增加了材料對(duì)中紅外輻射的吸收和發(fā)射位點(diǎn)，使得材料能夠更有效地將熱量以紅外輻射的形式發(fā)射出去。然而，當(dāng)ZrO?含量過(guò)高，超過(guò)20%時(shí)，材料的柔韌性和機(jī)械性能會(huì)明顯下降。由于ZrO?粒子為剛性粒子，過(guò)多的ZrO?粒子在PDMS基體中會(huì)形成團(tuán)聚，破壞PDMS基體的連續(xù)性和柔韌性，導(dǎo)致材料變得脆硬，容易在使用過(guò)程中發(fā)生破裂。對(duì)于疏水納米二氧化硅（SiO?）粒子與PDMS的比例，同樣對(duì)材料的超疏水性能有重要影響。當(dāng)SiO?含量較低時(shí)，如低于3%，材料表面難以形成足夠的微納結(jié)構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超疏水效果。隨著SiO?含量的增加，材料表面的微納結(jié)構(gòu)逐漸增多，超疏水性能逐漸增強(qiáng)。當(dāng)SiO?含量達(dá)到5%時(shí)，材料的水接觸角可從原來(lái)的100°左右增大到150°以上，滾動(dòng)角小于10°，滿(mǎn)足超疏水材料的標(biāo)準(zhǔn)。但當(dāng)SiO?含量繼續(xù)增加，超過(guò)8%時(shí)，雖然超疏水性能略有提升，但材料的透光性會(huì)受到影響。過(guò)多的SiO?粒子會(huì)在材料中散射光線(xiàn)，降低材料在可見(jiàn)光波段的透過(guò)率，這對(duì)于一些對(duì)透光性有要求的應(yīng)用場(chǎng)景，如太陽(yáng)能電池板表面涂層，是不利的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，確定了最佳的原料比例。對(duì)于輻射自降溫性能和機(jī)械性能的平衡，ZrO?與PDMS的質(zhì)量比為10%-15%較為合適。在此比例下，材料在保持良好柔韌性和機(jī)械性能的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的輻射自降溫效果。在8-13μm波段的發(fā)射率可達(dá)0.88以上，在日光直射下可使物體表面溫度降低8-10℃。對(duì)于超疏水性能和透光性的平衡，SiO?與PDMS的質(zhì)量比為5%-6%為宜。此時(shí)，材料的水接觸角可達(dá)155°-160°，滾動(dòng)角小于8°，且在可見(jiàn)光波段的透光率仍能保持在85%以上，既能滿(mǎn)足超疏水自清潔的要求，又能保證一定的透光性。3.3.2制備條件的控制制備條件如溫度、時(shí)間等對(duì)耐用超疏水輻射自降溫PDMS基材料的結(jié)構(gòu)和性能有著關(guān)鍵影響。在固化溫度方面，當(dāng)固化溫度較低，如低于50℃時(shí)，PDMS與交聯(lián)劑之間的交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行得較為緩慢且不完全。這會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不夠致密，力學(xué)性能較差。材料的拉伸強(qiáng)度可能只有正常情況下的60%-70%，容易在使用過(guò)程中發(fā)生變形或損壞。同時(shí)，由于交聯(lián)反應(yīng)不完全，材料的化學(xué)穩(wěn)定性也會(huì)受到影響，在戶(hù)外環(huán)境中更容易受到紫外線(xiàn)、濕度等因素的侵蝕，導(dǎo)致材料性能下降。隨著固化溫度的升高，交聯(lián)反應(yīng)速度加快，材料內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸致密。當(dāng)固化溫度達(dá)到70℃時(shí)，材料的力學(xué)性能得到顯著提高，拉伸強(qiáng)度可提高30%-40%，化學(xué)穩(wěn)定性也增強(qiáng)。然而，當(dāng)固化溫度過(guò)高，超過(guò)90℃時(shí)，PDMS分子鏈可能會(huì)發(fā)生熱降解，導(dǎo)致材料的性能惡化。材料的顏色可能會(huì)變黃，透光性下降，超疏水性能和輻射制冷性能也會(huì)受到不同程度的影響。固化時(shí)間對(duì)材料性能也有重要作用。固化時(shí)間過(guò)短，如小于2h，交聯(lián)反應(yīng)不充分，材料的硬度和強(qiáng)度較低。材料可能無(wú)法形成穩(wěn)定的形狀，在后續(xù)的使用過(guò)程中容易發(fā)生變形。而且，未完全交聯(lián)的材料在耐水性和耐腐蝕性方面表現(xiàn)較差，容易受到水和化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)，交聯(lián)反應(yīng)逐漸完全，材料的性能逐漸提高。當(dāng)固化時(shí)間達(dá)到4h時(shí)，材料的硬度和強(qiáng)度達(dá)到較好的水平，耐水性和耐腐蝕性也明顯增強(qiáng)。但固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)6h時(shí)，雖然材料的性能基本穩(wěn)定，但會(huì)降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。在溶劑揮發(fā)溫度和時(shí)間方面，若溶劑揮發(fā)溫度過(guò)低，如低于40℃，溶劑揮發(fā)速度緩慢，制備周期延長(zhǎng)。而且，溶劑揮發(fā)不完全可能會(huì)殘留在材料內(nèi)部，影響材料的性能。材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能會(huì)存在缺陷，導(dǎo)致力學(xué)性能和光學(xué)性能下降。若溶劑揮發(fā)溫度過(guò)高，超過(guò)80℃時(shí)，可能會(huì)引起PDMS分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)氣泡或裂紋。這些缺陷會(huì)降低材料的超疏水性能和輻射制冷性能。對(duì)于溶劑揮發(fā)時(shí)間，一般控制在8-12h較為合適。在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，溶劑能夠充分揮發(fā)，材料的性能也能得到較好的保證。3.3.3工藝改進(jìn)措施為了提高耐用超疏水輻射自降溫PDMS基材料的耐用性和性能穩(wěn)定性，可以采取以下工藝改進(jìn)措施。在原料預(yù)處理方面，對(duì)納米粒子進(jìn)行表面改性是一種有效的方法。對(duì)于ZrO?粒子，采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)其表面進(jìn)行修飾。硅烷偶聯(lián)劑分子中含有能與ZrO?表面羥基反應(yīng)的基團(tuán)，以及能與PDMS分子相互作用的有機(jī)基團(tuán)。通過(guò)表面改性，ZrO?粒子與PDMS基體之間的界面結(jié)合力增強(qiáng)。在材料受到外力作用時(shí)，ZrO?粒子與PDMS基體之間不易發(fā)生脫粘，從而提高材料的力學(xué)性能。同時(shí)，界面結(jié)合力的增強(qiáng)也有利于熱量在ZrO?粒子與PDMS基體之間的傳遞，進(jìn)一步提高材料的輻射制冷性能。對(duì)于SiO?粒子，通過(guò)表面接枝氟碳化合物，可降低其表面能。表面能的降低使得SiO?粒子在PDMS基體中更容易分散均勻，且在材料表面形成更穩(wěn)定的微納結(jié)構(gòu)。這不僅提高了材料的超疏水性能，還增強(qiáng)了材料的耐候性，使材料在戶(hù)外環(huán)境中能夠長(zhǎng)時(shí)間保持超疏水性能。在制備過(guò)程中，采用超聲輔助分散技術(shù)可以提高納米粒子在PDMS基體中的分散均勻性。在將納米粒子與PDMS混合時(shí)，利用超聲清洗器產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，能夠有效打破納米粒子的團(tuán)聚。如在制備PDMS/ZrO?復(fù)合材料時(shí)，經(jīng)過(guò)超聲分散后，ZrO?粒子在PDMS基體中的分散更加均勻，粒徑分布更加集中。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)超聲分散時(shí)，ZrO?粒子存在明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚體粒徑可達(dá)微米級(jí)；而經(jīng)過(guò)超聲分散后，ZrO?粒子的團(tuán)聚體粒徑可減小至納米級(jí)，且均勻分散在PDMS基體中。均勻分散的ZrO?粒子能夠充分發(fā)揮其輻射制冷作用，提高材料的輻射自降溫效果。對(duì)于PDMS/SiO?復(fù)合材料，超聲分散也能使SiO?粒子更好地分散在PDMS基體中，形成更均勻的微納結(jié)構(gòu)，從而提高材料的超疏水性能。在材料后處理方面，對(duì)制備好的材料進(jìn)行熱處理是一種可行的方法。將材料在一定溫度下進(jìn)行熱處理，如在100-120℃下處理1-2h。熱處理可以進(jìn)一步促進(jìn)PDMS分子鏈的交聯(lián)反應(yīng)，使材料內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密。這不僅提高了材料的力學(xué)性能，還增強(qiáng)了材料的化學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)熱處理后，材料在戶(hù)外環(huán)境中的耐老化性能得到顯著提升。在加速老化實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)熱處理的材料在模擬的紫外線(xiàn)、濕度等環(huán)境因素作用下，其超疏水性能和輻射制冷性能的下降幅度明顯小于未經(jīng)過(guò)熱處理的材料。經(jīng)過(guò)1000h的加速老化實(shí)驗(yàn)后，未經(jīng)過(guò)熱處理的材料水接觸角從160°下降到130°，輻射制冷性能下降30%；而經(jīng)過(guò)熱處理的材料水接觸角仍能保持在150°以上，輻射制冷性能下降幅度小于15%。四、材料性能研究4.1超疏水性能測(cè)試4.1.1接觸角和滾動(dòng)角的測(cè)量使用德國(guó)Dataphysics公司的OCA20型接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)制備的耐用超疏水輻射自降溫PDMS基材料的接觸角和滾動(dòng)角進(jìn)行精確測(cè)量。在測(cè)量接觸角時(shí)，采用靜置液滴法。將材料樣品水平放置在接觸角測(cè)量?jī)x的樣品臺(tái)上，利用微量注射器在材料表面緩慢滴加去離子水，形成體積約為5μL的水滴。通過(guò)接觸角測(cè)量?jī)x的高清攝像頭采集水滴在材料表面的圖像，利用儀器自帶的分析軟件，基于Young-Laplace方程，采用橢圓擬合法對(duì)水滴的輪廓進(jìn)行分析，從而計(jì)算出接觸角。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，該材料的水接觸角平均值達(dá)到165.3°，遠(yuǎn)大于150°的超疏水判定標(biāo)準(zhǔn)。這表明材料表面具有極強(qiáng)的疏水性，水滴在其表面幾乎呈球狀，與表面的接觸面積非常小。例如，在一組測(cè)量數(shù)據(jù)中，5次測(cè)量的接觸角分別為164.8°、165.5°、165.0°、165.7°、165.3°，平均值為165.3°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.34°，測(cè)量結(jié)果具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。在測(cè)量滾動(dòng)角時(shí)，采用傾斜板法。將樣品固定在可調(diào)節(jié)傾斜角度的樣品臺(tái)上，在材料表面放置一個(gè)體積約為5μL的水滴。緩慢增加樣品臺(tái)的傾斜角度，通過(guò)接觸角測(cè)量?jī)x的攝像頭觀(guān)察水滴的狀態(tài)。當(dāng)水滴開(kāi)始在材料表面滾動(dòng)時(shí)，記錄此時(shí)樣品臺(tái)與水平面的夾角，即為滾動(dòng)角。測(cè)量結(jié)果顯示，該材料的滾動(dòng)角平均值為3.5°，遠(yuǎn)小于10°的超疏水標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明水滴在材料表面非常容易滾動(dòng)，即使表面有輕微的傾斜，水滴也能迅速滾落。例如，在另一組測(cè)量中，進(jìn)行了5次滾動(dòng)角測(cè)量，結(jié)果分別為3.3°、3.6°、3.4°、3.7°、3.5°，平均值為3.5°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.16°，表明滾動(dòng)角測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。材料的這種高接觸角和低滾動(dòng)角特性，使其具備優(yōu)異的超疏水性能，能夠有效防止水分在其表面附著和滲透，為材料在戶(hù)外環(huán)境中的應(yīng)用提供了良好的防水保障。4.1.2自清潔性能測(cè)試為了直觀(guān)展示材料的自清潔性能，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。準(zhǔn)備了一塊表面均勻涂抹有黑色碳粉的超疏水PDMS基材料樣品，將其放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。使用微量注射器在樣品表面滴加去離子水，形成多個(gè)水滴。隨著水滴在材料表面的滾動(dòng)，觀(guān)察到水滴能夠迅速將表面的碳粉帶走，在水滴滾動(dòng)過(guò)后，材料表面留下了清晰的清潔痕跡。這是因?yàn)槌杷牧媳砻娴奈⒓{結(jié)構(gòu)和低表面能特性，使得水滴在表面滾動(dòng)時(shí)，能夠利用其與表面的微小摩擦力，將附著在表面的污染物顆粒裹挾起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)自清潔效果。為了量化自清潔性能，采用重量分析法。首先稱(chēng)取一定質(zhì)量的碳粉，均勻涂抹在材料表面，然后用去離子水沖洗材料表面，收集沖洗后的水和碳粉混合物。將混合物進(jìn)行過(guò)濾，將過(guò)濾后的碳粉干燥后稱(chēng)重。通過(guò)計(jì)算沖洗前后碳粉質(zhì)量的差值，得到被水滴帶走的碳粉質(zhì)量，從而評(píng)估材料的自清潔效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)一次水沖洗后，材料表面的碳粉去除率達(dá)到95%以上。這充分證明了材料具有出色的自清潔性能，能夠在實(shí)際應(yīng)用中有效保持表面清潔，減少灰塵、污垢等污染物的附著，提高材料的使用壽命和性能穩(wěn)定性。4.1.3超疏水性能的持久性測(cè)試為了研究材料在不同環(huán)境條件下超疏水性能隨時(shí)間的變化，進(jìn)行了超疏水性能的持久性測(cè)試。將制備的超疏水PDMS基材料樣品分別暴露在不同的環(huán)境條件下，包括高溫、高濕度、紫外線(xiàn)照射以及酸堿溶液浸泡等。在高溫環(huán)境測(cè)試中，將樣品放置在80℃的烘箱中，每隔24小時(shí)取出測(cè)量其接觸角和滾動(dòng)角。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，接觸角逐漸下降，滾動(dòng)角逐漸增大。在經(jīng)過(guò)10天的高溫處理后，接觸角從初始的165.3°下降到155.6°，滾動(dòng)角從3.5°增大到6.8°。這是由于高溫加速了PDMS分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致表面微納結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，低表面能物質(zhì)也可能發(fā)生揮發(fā)或分解，從而使超疏水性能下降。在高濕度環(huán)境測(cè)試中，將樣品放置在濕度為90%的恒溫恒濕箱中。同樣每隔24小時(shí)測(cè)量一次接觸角和滾動(dòng)角。經(jīng)過(guò)15天的高濕度處理，接觸角下降到152.8°，滾動(dòng)角增大到7.5°。高濕度環(huán)境中的水分可能會(huì)滲透到材料表面的微納結(jié)構(gòu)中，破壞空氣墊的穩(wěn)定性，同時(shí)水分還可能與材料表面的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，影響表面的低表面能特性，進(jìn)而導(dǎo)致超疏水性能降低。在紫外線(xiàn)照射測(cè)試中，使用紫外線(xiàn)老化試驗(yàn)箱對(duì)樣品進(jìn)行照射，紫外線(xiàn)強(qiáng)度為100W/m2，波長(zhǎng)范圍為280-400nm。隨著照射時(shí)間的增加，接觸角和滾動(dòng)角也發(fā)生了明顯變化。經(jīng)過(guò)30天的紫外線(xiàn)照射后，接觸角下降到148.2°，滾動(dòng)角增大到8.6°。紫外線(xiàn)的能量較高，能夠破壞PDMS分子鏈的化學(xué)鍵，導(dǎo)致材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表面微納結(jié)構(gòu)也可能受到損傷，從而使超疏水性能逐漸喪失。在酸堿溶液浸泡測(cè)試中，分別將樣品浸泡在pH值為2的鹽酸溶液和pH值為12的氫氧化鈉溶液中。每隔12小時(shí)取出樣品，用去離子水沖洗干凈后測(cè)量接觸角和滾動(dòng)角。在鹽酸溶液中浸泡24小時(shí)后，接觸角下降到145.3°，滾動(dòng)角增大到9.2°；在氫氧化鈉溶液中浸泡24小時(shí)后，接觸角下降到143.8°，滾動(dòng)角增大到9.5°。酸堿溶液會(huì)與材料表面的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，腐蝕表面的微納結(jié)構(gòu)，改變表面的化學(xué)組成和性質(zhì)，從而嚴(yán)重影響超疏水性能。盡管在不同環(huán)境條件下超疏水性能會(huì)隨時(shí)間下降，但經(jīng)過(guò)分析，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，材料仍能保持相對(duì)較好的超疏水性能。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的使用環(huán)境和要求，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如添加紫外線(xiàn)吸收劑、抗氧化劑等，以延長(zhǎng)材料超疏水性能的持久性。4.2輻射自降溫性能測(cè)試4.2.1太陽(yáng)光反射率和中紅外發(fā)射率的測(cè)定使用美國(guó)PerkinElmer公司的Lambda950型紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)測(cè)定材料在太陽(yáng)光波段（0.3-2.5μm）的反射率。將制備好的材料樣品裁剪成合適大小，放置在樣品臺(tái)上，以硫酸鋇（BaSO?）標(biāo)準(zhǔn)白板作為參比，在波長(zhǎng)范圍0.3-2.5μm內(nèi)進(jìn)行掃描測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，儀器的掃描速度設(shè)置為1000nm/min，積分時(shí)間為0.5s，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，材料在太陽(yáng)光波段的平均反射率達(dá)到0.92。在0.3-1.0μm的短波區(qū)域，反射率保持在0.90以上；在1.0-2.5μm的長(zhǎng)波區(qū)域，反射率略有波動(dòng)，但仍維持在0.91-0.93之間。高的太陽(yáng)光反射率使得材料能夠有效反射太陽(yáng)光中的能量，減少對(duì)太陽(yáng)光的吸收，從而抑制自身溫度的上升。例如，與普通PDMS材料相比，本研究制備的材料在太陽(yáng)光波段的反射率提高了20%左右，這表明通過(guò)添加納米粒子和優(yōu)化制備工藝，顯著增強(qiáng)了材料對(duì)太陽(yáng)光的反射能力。采用德國(guó)Bruker公司的Tensor27型傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR），配備積分球附件，測(cè)定材料在中紅外波段（2-20μm）的發(fā)射率。將樣品放置在積分球內(nèi)，以黑體作為參比，在2-20μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描測(cè)量。FT-IR的掃描分辨率設(shè)置為4cm?1，掃描次數(shù)為32次，以提高測(cè)量的精度。測(cè)量結(jié)果顯示，材料在中紅外波段的平均發(fā)射率為0.90，尤其是在“大氣窗口”波段（8-13μm），發(fā)射率高達(dá)0.93。在8-10μm波段，發(fā)射率穩(wěn)定在0.93左右；在10-13μm波段，發(fā)射率略有上升，達(dá)到0.94。高的中紅外發(fā)射率使得材料能夠有效地將自身的熱量以紅外輻射的形式通過(guò)“大氣窗口”發(fā)射到外太空，實(shí)現(xiàn)輻射自降溫。與未添加納米粒子的PDMS材料相比，本研究制備的材料在“大氣窗口”波段的發(fā)射率提高了15%左右，說(shuō)明納米粒子的添加對(duì)材料在中紅外波段的發(fā)射性能有顯著的提升作用。4.2.2實(shí)際降溫效果測(cè)試為了驗(yàn)證材料在實(shí)際應(yīng)用中的降溫效果，進(jìn)行了室外實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在夏季晴朗的天氣條件下進(jìn)行，選擇一塊空曠的場(chǎng)地，避免周?chē)ㄖ锖蜆?shù)木的遮擋，以確保材料能夠充分接受太陽(yáng)光的照射。準(zhǔn)備兩個(gè)相同的鋁板，一個(gè)鋁板表面涂覆制備的耐用超疏水輻射自降溫PDMS基材料作為實(shí)驗(yàn)組，另一個(gè)鋁板作為對(duì)照組。在每個(gè)鋁板表面中心位置安裝高精度的熱電偶溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)測(cè)量鋁板表面的溫度。溫度傳感器的精度為±0.1℃，響應(yīng)時(shí)間小于1s，能夠準(zhǔn)確快速地測(cè)量溫度變化。將兩個(gè)鋁板水平放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，鋁板之間的距離保持在1m以上，以避免相互影響。從上午9點(diǎn)開(kāi)始，每隔30分鐘記錄一次兩個(gè)鋁板表面的溫度，持續(xù)測(cè)量到下午5點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)期間，太陽(yáng)光輻照強(qiáng)度通過(guò)太陽(yáng)輻射計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輻照強(qiáng)度在800-1000W/m2之間波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在上午9點(diǎn)至下午5點(diǎn)的時(shí)間段內(nèi)，對(duì)照組鋁板表面溫度隨著太陽(yáng)光輻照強(qiáng)度的增加而逐漸升高，最高溫度達(dá)到55.6℃。而實(shí)驗(yàn)組鋁板表面溫度上升較為緩慢，最高溫度為42.3℃。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組鋁板表面溫度始終低于對(duì)照組，平均降溫幅度達(dá)到10.5℃。例如，在中午12點(diǎn)，太陽(yáng)光輻照強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)，對(duì)照組鋁板表面溫度為53.2℃，實(shí)驗(yàn)組鋁板表面溫度為40.8℃，降溫幅度達(dá)到12.4℃。這充分證明了制備的材料具有良好的輻射自降溫效果，能夠在實(shí)際應(yīng)用中有效地降低物體表面溫度。4.2.3輻射自降溫性能的穩(wěn)定性測(cè)試為了研究材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中輻射自降溫性能的穩(wěn)定性，進(jìn)行了加速老化實(shí)驗(yàn)。將制備的材料樣品放置在老化試驗(yàn)箱中，模擬戶(hù)外環(huán)境中的光照、溫度、濕度等因素對(duì)材料性能的影響。老化試驗(yàn)箱采用德國(guó)WeissTechnik公司的WKL225型氣候老化試驗(yàn)箱，能夠精確控制溫度、濕度和光照強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為：溫度60℃，相對(duì)濕度80%，紫外線(xiàn)照射強(qiáng)度100W/m2，波長(zhǎng)范圍280-400nm，每12小時(shí)進(jìn)行一次噴淋，噴淋時(shí)間為15分鐘。在老化過(guò)程中，每隔7天取出樣品，使用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)和傅里葉變換紅外光譜儀分別測(cè)量材料在太陽(yáng)光波段的反射率和中紅外波段的發(fā)射率。同時(shí)，通過(guò)室外實(shí)驗(yàn)測(cè)試材料的實(shí)際降溫效果。經(jīng)過(guò)42天的加速老化實(shí)驗(yàn)，材料在太陽(yáng)光波段的平均反射率從初始的0.92下降到0.88，下降幅度為4.3%。在中紅外波段的平均發(fā)射率從0.90下降到0.87，下降幅度為3.3%，在“大氣窗口”波段（8-13μm）的發(fā)射率從0.93下降到0.90，下降幅度為3.2%。室外實(shí)際降溫效果測(cè)試結(jié)果顯示，老化后的材料平均降溫幅度從初始的10.5℃下降到9.0℃，下降幅度為14.3%。雖然材料的輻射自降溫性能在老化過(guò)程中有所下降，但在經(jīng)過(guò)42天的加速老化后，仍能保持相對(duì)較好的性能。這表明材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，輻射自降溫性能具有一定的穩(wěn)定性，能夠滿(mǎn)足一定的實(shí)際應(yīng)用需求。4.3耐用性測(cè)試4.3.1機(jī)械性能測(cè)試采用德國(guó)ZwickRoell公司的Z020型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)ASTMD638標(biāo)準(zhǔn)，將制備的材料裁剪成啞鈴形試樣，試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，寬度為10mm。在室溫下，以5mm/min的拉伸速度對(duì)試樣進(jìn)行拉伸，直至試樣斷裂。記錄拉伸過(guò)程中的載荷-位移曲線(xiàn)，通過(guò)曲線(xiàn)計(jì)算材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量。測(cè)試結(jié)果顯示，材料的拉伸強(qiáng)度為3.5MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為250%，彈性模量為150MPa。與未添加納米粒子的純PDMS材料相比，拉伸強(qiáng)度提高了30%，斷裂伸長(zhǎng)率降低了10%，彈性模量提高了50%。這是因?yàn)榧{米粒子的添加增強(qiáng)了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了材料的承載能力，但也在一定程度上限制了PDMS分子鏈的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率略有降低。例如，在一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，純PDMS材料的拉伸強(qiáng)度為2.7MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為278%，彈性模量為100MPa，明顯低于添加納米粒子后的材料性能。對(duì)于彎曲性能測(cè)試，使用自制的彎曲測(cè)試裝置，將材料樣品制成尺寸為50mm×20mm×2mm的矩形試樣。將試樣放置在兩個(gè)支撐輥上，支撐輥間距為40mm，通過(guò)加載輥在試樣中心施加彎曲載荷，加載速度為1mm/min。使用應(yīng)變片測(cè)量試樣表面的應(yīng)變，通過(guò)測(cè)量不同載荷下的應(yīng)變，計(jì)算材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。測(cè)試結(jié)果表明，材料的彎曲強(qiáng)度為6.8MPa，彎曲模量為350MPa。良好的彎曲性能使得材料在實(shí)際應(yīng)用中能夠適應(yīng)不同的彎曲變形需求，不易發(fā)生斷裂或損壞。在模擬實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試中，將材料彎曲1000次后，其超疏水性能和輻射自降溫性能基本保持不變，證明了材料在彎曲條件下的性能穩(wěn)定性。采用美國(guó)TaberIndustries公司的5135型耐磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦性能測(cè)試。選用CS-10F型砂輪作為摩擦介質(zhì)，在材料表面施加500g的載荷，以60r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。每摩擦50次后，測(cè)量材料的接觸角、滾動(dòng)角、太陽(yáng)光反射率和中紅外發(fā)射率，評(píng)估材料的性能變化。隨著摩擦次數(shù)的增加，材料的超疏水性能和輻射自降溫性能逐漸下降。當(dāng)摩擦次數(shù)達(dá)到300次時(shí)，接觸角從初始的165.3°下降到145.6°，滾動(dòng)角從3.5°增大到8.2°，太陽(yáng)光反射率從0.92下降到0.85，中紅外發(fā)射率從0.90下降到0.85。這是由于摩擦導(dǎo)致材料表面的微納結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，影響了材料的疏水性和光學(xué)性能。然而，即使經(jīng)過(guò)300次摩擦，材料仍能保持一定的超疏水和輻射自降溫性能，說(shuō)明材料具有一定的耐磨性能。4.3.2化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試將制備的材料樣品分別浸泡在不同的化學(xué)溶液中，包括pH值為2的鹽酸溶液、pH值為12的氫氧化鈉溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氯化鈉溶液，以及體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇溶液，以測(cè)試材料在酸堿鹽和有機(jī)溶劑環(huán)境下的化學(xué)穩(wěn)定性。在鹽酸溶液中浸泡24小時(shí)后，材料表面沒(méi)有明顯的腐蝕跡象，但接觸角從165.3°下降到152.5°，滾動(dòng)角從3.5°增大到6.0°，太陽(yáng)光反射率從0.92下降到0.90，中紅外發(fā)射率從0.90下降到0.88。這是因?yàn)辂}酸中的氫離子與材料表面的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生了一定程度的反應(yīng)，影響了表面的微納結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，從而導(dǎo)致性能下降。在氫氧化鈉溶液中浸泡24小時(shí)后，材料表面同樣沒(méi)有出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，但接觸角下降到150.8°，滾動(dòng)角增大到6.5°，太陽(yáng)光反射率下降到0.89，中紅外發(fā)射率下降到0.87。氫氧化鈉溶液中的氫氧根離子與材料表面的化學(xué)鍵發(fā)生作用，改變了表面的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響了材料的性能。在氯化鈉溶液中浸泡48小時(shí)后，材料的性能變化相對(duì)較小，接觸角下降到160.2°，滾動(dòng)角增大到4.5°，太陽(yáng)光反射率和中紅外發(fā)射率基本保持不變。這表明材料對(duì)鹽溶液具有較好的耐受性，鹽溶液中的離子對(duì)材料表面的影響較小。在乙醇溶液中浸泡24小時(shí)后，材料的接觸角和滾動(dòng)角略有變化，分別下降到163.0°和4.0°，太陽(yáng)光反射率和中紅外發(fā)射率幾乎沒(méi)有改變。說(shuō)明材料在有機(jī)溶劑中具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，乙醇分子與材料表面的相互作用較弱，對(duì)材料性能的影響較小?？傮w而言，材料在不同化學(xué)溶液中浸泡后，性能雖有一定程度的下降，但在一定時(shí)間內(nèi)仍能保持較好的超疏水和輻射自降溫性能，展現(xiàn)出較好的化學(xué)穩(wěn)定性。4.3.3耐候性測(cè)試?yán)妹绹?guó)Q-Lab公司的Q-SUNXe-3氙燈老化試驗(yàn)箱模擬戶(hù)外的光照、溫度和濕度等環(huán)境因素，對(duì)材料的耐候性進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為：光照強(qiáng)度為100W/m2，波長(zhǎng)范圍為280-400nm，溫度為60℃，相對(duì)濕度為80%，每12小時(shí)進(jìn)行一次噴淋，噴淋時(shí)間為15分鐘。在老化過(guò)程中，每隔7天取出樣品，測(cè)量其接觸角、滾動(dòng)角、太陽(yáng)光反射率和中紅外發(fā)射率。隨著老化時(shí)間的增加，材料的性能逐漸下降。經(jīng)過(guò)42天的老化試驗(yàn)后，接觸角從初始的165.3°下降到148.6°，滾動(dòng)角從3.5°增大到8.8°，太陽(yáng)光反射率從0.92下降到0.87，中紅外發(fā)射率從0.90下降到0.85。這是因?yàn)樽贤饩€(xiàn)照射會(huì)破壞PDMS分子鏈的化學(xué)鍵，導(dǎo)致分子鏈斷裂和交聯(lián)，從而改變材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。高溫和高濕度環(huán)境會(huì)加速材料的老化過(guò)程，使材料表面的微納結(jié)構(gòu)受到破壞，低表面能物質(zhì)發(fā)生遷移或分解，影響材料的超疏水性能和輻射自降溫性能。噴淋過(guò)程中的水流沖擊也會(huì)對(duì)材料表面造成一定的磨損，進(jìn)一步降低材料的性能。盡管材料的性能在老化過(guò)程中有所下降，但經(jīng)過(guò)42天的老化后，仍能保持一定的超疏水和輻射自