摘要：全球能源消耗不断增长，对能源供应以及二氧化碳排放控制提出了严峻的挑战。其中，建筑、交通及农业等领域的温度调控能耗（主要包括供暖与制冷）在总能源消费中占有显著比重。在此背景下，低发射率材料因其优异的辐射热阻隔性能被视为极具前景的保温隔热节能材料。然而，其固有的金

全球能源消耗不断增长，对能源供应以及二氧化碳排放控制提出了严峻的挑战。其中，建筑、交通及农业等领域的温度调控能耗（主要包括供暖与制冷）在总能源消费中占有显著比重。在此背景下，低发射率材料因其优异的辐射热阻隔性能被视为极具前景的保温隔热节能材料。然而，其固有的金属灰色外观带来的美学问题常常阻碍实际应用。尽管已有研究开发出部分彩色低发射率涂料来解决这一问题，但制备工艺复杂性与高昂的施工成本仍是亟待突破的技术瓶颈。

为此，北京大学的彭雨粲研究员团队提出了一类新型自分层彩色低发射率涂料（SSCLP），该涂料通过单次涂覆便可自发形成双层结构，从而省去二次涂覆工序，展现出低至0.107的发射率、高至0.814的近红外反射率以及可调控的可见光选择性反射的颜色外观。该研究以题为“Self-Stratifying Colorful Low-Emissivity Paint for Thermal Regulation and Energy Saving”发表于《Advanced Functional Materials》。

【SSCLP的制备与分层原理】

理想的彩色低发射率涂料的光学性能应满足：在可见光波段实现选择性反射以调控色彩表现；在近红外（NIR）波段保持较高的反射率以在炎热环境下阻隔太阳光波段的热量进入空间内部，在中红外（MIR）波段具有较高的反射率（即低发射率）以抑制辐射换热，从而实现保温隔热的高效节能作用。

为实现目标光学性能，研究团队采用片状铝粉（Al MF）作为中红外高反射填料，并选用红外透明的无机纳米颜料颗粒（普鲁士蓝、氧化铁、针铁矿）调控色彩。通过精密配方设计，构建了自发分层体系：下层采用高密度、弱极性的四氯乙烯（PCE）溶剂和聚乙烯醇缩丁醛（PVB）/1,1,2,2四氯乙烷（TCE）粘结剂体系实现低发射率；上层采用低密度、强极性的异丙醇（IPA）/水混合溶剂和聚乙烯醇（PVA）粘结剂体系呈现色彩。实际应用时，所有组分经摇晃均匀混合后，基于密度差异自发分离，PCE与TCE溶剂携带着Al MF与PVB一同沉降形成反射底层，而含有无机纳米颜料颗粒和PVA的异丙醇和水则上浮形成彩色顶层，溶剂挥发后形成的双层结构，经SSCLP的截面SEM图像证实具有规整的Al MF排布和清晰的分层效果。

图1.SSCLP的设计与分层原理

【SSCLP的光学性能与环境耐久性】

为进一步探究该自分层结构实现低至0.107发射率的机理，研究者设计了对照实验：采用相同原料制备了非分层的混合涂料进行了对比测试。结果表明，混合涂料的MIR反射率显著低于SSCLP，且SEM图像显示其Al MF呈无序分布。基于时域有限差分模拟研究进一步揭示：自分层结构通过形成规整的Al MF定向排布，可显著提高MIR波段的反射率。SSCLP与混合涂料的反射率模拟结果与实验结果相吻合，表明了有效的分层是实现优异中红外反射性能的关键因素。

为评估SSCLP的环境耐久性，团队对SSCLP进行了粘附性测试、人工老化测试（高温高湿紫外条件）、低温测试（-20°C）、水流冲击测试、水浸泡测试、湿度波动测试、盐雾测试以及酸雨测试。样品前后的质量、MIR反射率以及表观形貌并无明显差异，证实了SSCLP优异的环境耐久性。

图2.SSCLP的光学性能与环境耐久度测试

【SSCLP的保温隔热性能】

研究团队对SSCLP进行了隔热性能展示。实验结果表明，在辐射主导传热工况下，SSCLP涂层有效地阻隔了来自热环境的热量输入，显著延缓了模拟建筑的温度升高，相较于应用商用彩色涂料的建筑物模拟物，应用SSCLP的建筑模拟物内部的温度降低了5.1 °C。在常温室内条件下，应用SSCLP能够将冰淇淋的质量损失率降低38.5%，从应用层面验证了SSCLP优异的保温隔热性能。

图3.SSCLP的保温隔热性能展示

【应用SSCLP的建筑能耗模拟计算】

图4.应用SSCLPs的建筑节能计算

小结

本研究开发出一种自分层彩色低发射率涂料，通过溶剂与溶质的性质匹配实现了兼具美学表现与低发射率节能效益的双功能层，为建筑暖通空调系统（包括供暖和制冷）提供了新型解决方案。这种可扩展的、基于溶液的工艺可以很容易地应用于各种表面，如屋顶和墙壁，为建筑、交通、仓储、养殖和酿造等多个行业提供高效的节能解决方案，助力实现全球碳中和目标。

论文链接：

来源：高分子科学前沿一点号1