隨著人類生活水平不斷提高,為滿足人體日常生活舒適性需要,利用空調(diào)等溫控設(shè)備實現(xiàn)涼爽和保暖已成為當(dāng)下能源消耗的主力軍之一。但空調(diào)系統(tǒng)需要消耗大量電力,調(diào)控對象為整個建筑空間而非個人,能源利用效率較低。日間輻射致冷(passive daytime radiative cooling, PDRC)作為一種無耗能的致冷技術(shù),在改善人體熱舒適和降低能耗方面具有潛在應(yīng)用價值,近年來受到關(guān)注。然而,PDRC材料的實際應(yīng)用還面臨著制備工藝、成本以及滿足人體舒適性的難題。

近日,中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所項目研究員王錦等人開發(fā)了以應(yīng)用于服裝領(lǐng)域的熱塑性聚氨酯為基底,氧化硅氣凝膠顆粒為功能基元的輻射致冷薄膜(AFTPU,圖1)。可通過簡單和可擴(kuò)展的非溶劑相分離策略形成微孔,增強(qiáng)薄膜的透濕率以及光學(xué)散射中心提高太陽光反射率(圖2),同時利用疏水氧化硅功能基元提高PDRC材料的疏水性能,使其免于雨水淋濕、灰塵污染,延長致冷薄膜的使用壽命。在炎熱的夏天,實現(xiàn)了相較于環(huán)境溫度10oC致冷效果。此外,該薄膜可以折疊、卷曲,裁剪成各種形狀,展現(xiàn)出超強(qiáng)的柔性和可裁剪性;薄膜前驅(qū)溶液可像油漆一樣,將氣凝膠/聚氨酯自支撐輻射致冷薄膜涂覆在傳統(tǒng)織物上,實現(xiàn)傳統(tǒng)面料的輻射致冷應(yīng)用。

如圖2所示,該氣凝膠功能化薄膜在可見光波段具有較高反射率為0.89,在中紅外波段的發(fā)射率也高達(dá)0.96。通過自搭建裝置進(jìn)行戶外模擬測試,結(jié)果表明,TPU以及AFTPU-X薄膜覆蓋下的基材溫度均低于環(huán)境溫度,其降溫效果在太陽功率超過800 W/m2的情況下達(dá)到10oC。

如圖3所示,對傳統(tǒng)織物輻射致冷改性后,光學(xué)性能有所改善,反射率從0.63提高至0.84,發(fā)射率由0.86提高至0.97。在一天中最熱時間段的模擬戶外測試中,Nylon/AFTPU-10 所覆蓋的基材溫度比尼龍、棉、滌綸這一系列同色商業(yè)面料至少可低8℃,最高可達(dá)12℃,未來有望用于人體熱管理。

如圖4所示,將AFTPU-10與Nylon/AFTPU-10縫制在志愿者衣服左側(cè)胸前,并用紅外相機(jī)和多通道手持測溫儀記錄全程的溫度變化情況。AFTPU-10的溫度比布的溫度低約11oC,比Nylon/AFTPU-10的溫度低7.5oC。該薄膜在多種復(fù)雜場景中具備潛在的應(yīng)用價值,例如遮陽產(chǎn)品、建筑物降溫等。

研究工作對氣凝膠功能化聚氨酯薄膜的制備和傳統(tǒng)織物的輻射致冷改性,以及炎熱環(huán)境下的人體熱管理策略等具有重要意義。相關(guān)研究成果以Aerogel functionalized thermoplastic polyurethane as waterproof, breathable free-standing films and coatings for passive daytime radiative cooling為題,發(fā)表在Advanced Science上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目以及蘇州市科技局基礎(chǔ)研究試點項目的資助。

論文鏈接

圖1.氣凝膠功能化聚氨酯薄膜的制備示意圖以及戶外環(huán)境中人體熱量輸入和輸出途徑示意圖
圖1.氣凝膠功能化聚氨酯薄膜的制備示意圖以及戶外環(huán)境中人體熱量輸入和輸出途徑示意圖

圖2.氣凝膠功能化聚氨酯薄膜的光學(xué)性能和日間輻射致冷性能
圖2.氣凝膠功能化聚氨酯薄膜的光學(xué)性能和日間輻射致冷性能

圖3.輻射致冷改性織物的物理性能和輻射致冷性能
圖3.輻射致冷改性織物的物理性能和輻射致冷性能

圖4.人體戶外輻射致冷測試以及致冷機(jī)理示意圖
圖4.人體戶外輻射致冷測試以及致冷機(jī)理示意圖

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