蘇州納米所王錦等Adv Sci: 氧化硅氣凝膠助力聚氨酯及普通織物10℃無源輻射致冷

                              隨著人類生活水平不斷提高,為滿足人體日常生活的舒適性需要,利用空調等溫控設備實現涼爽和保暖已成為當下能源消耗的主力軍之一。然而空調系統需要消耗大量電力,調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,在改善人體熱舒適和降低能耗方面具有巨大的潛在應用價值,近年來受到廣泛關注。然而,PDRC材料的實際應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,中科院蘇州納米所王錦等人開發了一種以廣泛應用于服裝領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)。通過簡單和可擴展的非溶劑相分離策略形成微孔,增強薄膜的透濕率以及光學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,實現了相較于環境溫度10oC致冷效果。此外該薄膜可以折疊、卷曲,裁剪成各種形狀,展現出了超強的柔性和可裁剪性;薄膜前驅溶液可像油漆一樣,可將氣凝膠/聚氨酯自支撐輻射致冷薄膜涂覆在傳統織物上,實現傳統面料的輻射致冷應用。 

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

                              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,在中紅外波段的發射率也高達0.96。通過自搭建裝置進行戶外模擬測試,結果表明,TPU以及AFTPU-X薄膜覆蓋下的基材溫度均低于環境溫度,其降溫效果在太陽功率超過800 W/m2的情況下能達到10oC。 

                                2 氣凝膠功能化聚氨酯薄膜的光學性能和日間輻射致冷性能 

                              如圖3所示,對傳統織物輻射致冷改性后,光學性能有所改善,反射率從0.63提高至0.84,發射率由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面料至少可低8℃,最高可達12℃,未來有希望用于人體熱管理。 

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

                              如圖4所示,將AFTPU-10Nylon/AFTPU-10縫制在志愿者衣服左側胸前,并用紅外相機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。綜合分析,薄膜在種復雜場景中具備潛在的應用價值,例如遮陽產品、建筑物降溫等。 

                                4 人體戶外輻射致冷測試以及致冷機理示意圖 

                              相關研究工作為氣凝膠功能化聚氨酯薄膜的制備和傳統織物的輻射致冷改性,以及炎熱環境下的人體熱管理策略具有重要意義。該工作Aerogel functionalized thermoplastic polyurethane as waterproof, breathable free-standing films and coatings for passive daytime radiative cooling為題發表Advanced Science上。論文第一作者為中科院蘇州納米所輕量化實驗室碩士生單夏夢,通訊作者為中科院蘇州納米所輕量化實驗室王錦項目研究員。該研究獲得了國家自然科學基金重大研究計劃項目以及蘇州市科技局基礎研究試點項目資助。 

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