夏日的清涼—全天候人體冷卻織物

熱管理博覽會

2023年8月16日 09:14

來源 | Nature Sustainability

背景介紹

廣泛使用空調(diào)等主動冷卻系統(tǒng)消耗大量能源，約占全球用電量的15%。被動輻射制冷是一種新興的制冷技術(shù)，通過大氣窗口(8-13μm)將輻射熱量傳遞到溫度較低的周圍環(huán)境，輻射冷卻技術(shù)在個人熱管理方面顯示出巨大的潛力。因此各種輻射冷卻紡織材料已經(jīng)得到開發(fā)用于不同環(huán)境下的人體冷卻，包括室內(nèi)和室外。基于此，目前平衡人體相容性(無害和舒適)和高冷卻性能仍然是開發(fā)個人輻射冷卻熱管理織物的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，當(dāng)此類材料用于室內(nèi)環(huán)境，且不存在向外空間傳遞輻射熱量的通道時，冷卻性能會受到很大影響。即使在室外，在陰天，大氣窗口也可能部分或完全被阻擋，導(dǎo)致冷卻性能大幅下降。因此，為了設(shè)計一種能夠在各種室外(包括晴天和陰天條件)和室內(nèi)環(huán)境下支持高冷卻性能的輻射冷卻紡織品，精確調(diào)整材料在多個波長波段(包括MIR的大氣窗口、非窗口和太陽波段)的光學(xué)特性是至關(guān)重要的也是面臨的挑戰(zhàn)之一。

成果掠影

近期，清華大學(xué)張如范副教授與南京大學(xué)朱嘉教授聯(lián)合報道了一種聚甲醛（POM）納米織物設(shè)計，它不僅實現(xiàn)了大氣窗口（8-13μm）的選擇性發(fā)射，而且還顯示了剩余中紅外波段的透射和太陽光（0.3-2.5μm）的反射。因此，POM紡織品在室外(晴天和陰天條件下)和室內(nèi)(比典型紡織品低0.5-8.8°C)都能實現(xiàn)有效的人體輻射冷卻。此外，紡織品的設(shè)計顯示出良好的可穿戴性，并且在用作防護(hù)服時優(yōu)于其商業(yè)同類產(chǎn)品。POM材料提供室內(nèi)和室外人體冷卻，并為下一代智能紡織品的合理設(shè)計和其他支持可持續(xù)性的應(yīng)用引入了新的可能性。研究成果以“An all-weather radiative human body cooling textile”為題發(fā)表于《Nature Sustainability》。

圖文導(dǎo)讀

夏日的清涼—全天候人體冷卻織物的圖3

圖1.透射型（Transmission-type，a和c）和發(fā)射型（Emission-type，b和d）輻射制冷織物的降溫機(jī)理示意圖（a和b），及其相應(yīng)的光譜響應(yīng)（c和d）。

圖1a顯示了在不同環(huán)境下人體有效冷卻的機(jī)制。MIR光譜特征如圖1b所示。自適應(yīng)織物在大氣窗口(8-13 μm)內(nèi)表現(xiàn)出發(fā)射型特征，在窗口外表現(xiàn)出透射型特征，充分利用大氣窗口，同時保留大多數(shù)人體輻射的透射冷卻能力(~61%，如圖1b所示)，使其具有最佳的發(fā)射冷卻效果。通過對不同類型紡織品求解(發(fā)射型、透射型和自適應(yīng)型)在室外和室內(nèi)環(huán)境下的制冷性能進(jìn)行了數(shù)值評價和比較穩(wěn)態(tài)傳熱模型。結(jié)果表明，在強(qiáng)陽光(800 W/m²)的室外環(huán)境中，自適應(yīng)型紡織品的皮膚表面溫度明顯低于透射型(低25.7°C)和排放型(低4.2°C)紡織品(圖1c,d)。這是由于與透射型紡織品相比，我們的紡織品設(shè)計具有更高的太陽反射率，而與發(fā)射型紡織品相比，非窗口MIR透射具有額外的冷卻效果。對于室內(nèi)環(huán)境，自適應(yīng)型紡織品的皮膚表面溫度略高于透射型紡織品(0.8°C)，但明顯低于排放型紡織品(2.5°C)(圖1c,e)。

夏日的清涼—全天候人體冷卻織物的圖4

圖2.POM 紡織品的設(shè)計、制備和光譜分析。

有機(jī)材料在MIR區(qū)域(對應(yīng)于人類主要輻射波段)的發(fā)射和透射本質(zhì)上取決于它們的分子鍵和官能團(tuán)，它們在不同的波段范圍內(nèi)具有不同的振動吸收和發(fā)射特性。圖2a列出了聚合物的常見官能團(tuán)及其在MIR區(qū)域(4-25 μm)的波長范圍。基于對這些官能團(tuán)的仔細(xì)篩選和分析，假設(shè)POM是一種僅由C-O-C鍵組成的主鏈聚合物，同時具有發(fā)射和傳輸兩種工作模式。利用衰減全反射(ATR)模式傅立葉變換紅外光譜。FTIR-ATR曲線特征峰表明，POM的振動吸收和發(fā)射波長主要分布在大氣窗口，這表明POM是不依賴于工作環(huán)境的輻射制冷紡織品的有前途的原料，無需工作依賴環(huán)境。除了選擇性的MIR發(fā)射和透射外，強(qiáng)太陽反射率也是日間室外環(huán)境輻射冷卻材料的必要條件。在上述分析的基礎(chǔ)上，通過靜電紡絲合成了厚度為~260 μm的分層POM納米纖維紡織品(圖2c)，表面粗糙度如圖2d所示，這種粗糙的表面是由于溶劑的高揮發(fā)性而形成的(六氟-2-丙醇)在靜電紡絲工藝中的應(yīng)用。這些POM納米纖維的直徑尺寸分布接近0.3 ~ 1.0 μm的太陽主波段(圖2e)，遠(yuǎn)離MIR波段，有利于高太陽反射率和低MIR反射率。除了合適的納米纖維直徑外，POM納米纖維的無序排列和粗糙表面也是造成POM紡織品高太陽反射率的原因。由圖2f可知，合成的POM織物在0.3 ~ 2.5 μm波段具有較高的太陽反射率達(dá)到94.6%，在0.3 ~ 1.5 μm主波段平均反射率達(dá)到95.2%。相比之下，在4-25 μm的MIR區(qū)域，POM紡織品的超低反射率為6.3%(見圖2f)，表明其具有較高的MIR發(fā)射率和透射率，是一種理想的無反射紡織品。POM織物在8 ~ 13 μm大氣窗口內(nèi)的選擇性發(fā)射率為75.9%，在大氣窗口外的平均透過率為70.0%。在4-25 μm的整個MIR區(qū)域，POM紡織品的平均透過率達(dá)到48.5%，表明它可以傳輸近一半的人體輻射能量。這些結(jié)果表明，合成的聚甲醛紡織品具有上述自適應(yīng)輻射冷卻模型的性能，有望提供環(huán)境自適應(yīng)的人體冷卻。

夏日的清涼—全天候人體冷卻織物的圖5

圖3.POM 紡織品的人體冷卻測量，通過與裸露皮膚和覆蓋商業(yè)棉、透射型PE和發(fā)射型 PVDF的皮膚進(jìn)行比較。

在中國南京炎熱的夏季(118°57 ' 10″E, 32°07 ' 14″N)三種典型環(huán)境下，陽光明媚的室外，多云的室外和室內(nèi)環(huán)境使用定制的測量設(shè)備(圖3a,b)，研究了合成POM紡織品的全天候輻射人體冷卻性能。如圖3c所示，PVDF和Nano-PE紡織品經(jīng)過精心設(shè)計和選擇，分別匹配發(fā)射型和透射型輻射冷卻模型。所選擇的PVDF和Nano-PE紡織品在整個MIR區(qū)域分別實現(xiàn)了高發(fā)射率(90.0%)和高透射率(96.9%)，而前者也具有接近POM紡織品的高太陽反射率(95.1%)，分別符合發(fā)射型和透射型輻射冷卻模型。

圖3d-g清楚地顯示了在室外環(huán)境下(晴天和多云環(huán)境)，POM紡織品覆蓋皮膚模擬器的表面溫度是五個樣品中最低的。在上午10點開始的強(qiáng)直射陽光(>800 W/m²，峰值太陽輻照度~935 W/m²，環(huán)境溫度為34.1℃)下的晴天場景下，至下午1時，POM織物覆蓋皮膚模擬器的溫度比裸皮膚和棉、Nano-PE、PVDF覆蓋皮膚的溫度低15.7℃;

夏日的清涼—全天候人體冷卻織物的圖6

圖4.POM 紡織品的耐磨性測試。

合成POM織物除了具有優(yōu)越的輻射冷卻性能外，還具有良好的透氣性、機(jī)械強(qiáng)度、防水性和抗?jié)裥缘饶湍バ阅堋Ｊ紫龋瑴y量了POM紡織品的透氣性，透氣性指的是在壓差作用下通過氣流將人體熱量從紡織品中帶走的能力，這個指標(biāo)對人類的舒適度很重要。此外， POM紡織品的抗拉強(qiáng)度也很高，達(dá)到13.3 MPa，與商品棉的抗拉強(qiáng)度(14.7 MPa)相當(dāng)(圖4c)。高機(jī)械強(qiáng)度歸因于POM的高結(jié)晶度，其具有較高的固有強(qiáng)度(70 MPa)。在這些不同的紡織品中，POM紡織品的伸長率最高(~300%)(圖4c)，表明它具有與皮膚舒適互動的高靈活性。對這些樣品的抗?jié)衲芰M(jìn)行了比較，這對于在潮濕環(huán)境中保持紡織品干燥和清潔很重要。 POM紡織品的水接觸角達(dá)到138°，半小時后保持在122°，遠(yuǎn)高于其他三種紡織品(圖4d)， 說明POM紡織品的防水和防潮能力最高。在各種戶外環(huán)境中，POM 紡織品的輻射冷卻性能比商用防護(hù)服顯著增強(qiáng)（圖4g-j）。POM紡織品還表現(xiàn)出更好的室內(nèi)冷卻性能（圖4h,k）。 因此，POM紡織品在室外和室內(nèi)環(huán)境中都表現(xiàn)出優(yōu)于商用防護(hù)服的冷卻性能，并且應(yīng)該具有很高的商業(yè)化潛力。

END

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