转自 今日纺丝
辐射冷却技术通过反射太阳辐射和发射红外辐射，已成为一种高效、被动的热调节解决方案。这种双重功能无需外部能量输入即可实现冷却，使其成为缓解全球能源和环境挑战的一种有前景的方法。辐射冷却符合绿色和低碳发展原则，为各种应用（包括建筑、纺织品和个人热管理系统）的温度控制提供可持续的替代方案。然而，辐射冷却材料（RCM）的实际部署常常受到环境因素的阻碍，例如热量积累、对流传热和显着的昼夜温度变化。这些挑战会降低 RCM 的冷却效率，导致特定气候条件下出现过冷或过热等潜在问题。人们提出将相变材料 (PCM) 与 RCM 集成作为解决这些限制的有效策略。相变材料具有高潜热和稳定的相变温度，使其能够在相变过程中吸收和释放热量。这种固有的能力可以稳定温度波动，从而提高辐射冷却系统的整体效率。例如，PCM可以在高温时吸收多余的热量，并在温度下降时释放热量，从而减轻环境热流入的影响，缓解热不适。此外，具有适合人体热舒适水平的相变温度的相变材料在提高辐射冷却系统在可穿戴和个人热管理技术中的适用性方面表现出巨大的潜力。人们对 PCM 与辐射冷却系统的集成进行了广泛的研究，这些系统涉及一系列应用，，例如太阳能蒸馏器、光伏热系统、空调装置和节能型屋顶。这些研究强调了将 PCM 的热存储特性与RCM 的光学和热发射特性相结合的显着优势。然而，仍然存在一些挑战，包括有限的潜热、对人体舒适度而言次优的相变温度，以及由于粘度增加和可加工性降低而导致 PCM 集成材料加工困难。
近日，深圳大学陈大柱教授团队介绍了一种通过辐射冷却相变(RC-PC) 纤维膜进行个人热管理的创新解决方案。这些膜通过同轴静电纺丝制造，结合了聚（3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯）（PHBV）和正硅酸四乙酯（TEOS）复合壳，封装正十八烷作为核心相变材料。该膜表现出卓越的光学性能，在大气窗口内太阳反射率为 95.0%，发射率为88.6%，有效减少了环境热吸收。注入正十八烷的纤维(0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV) 表现出88.3 J g−1 的相变焓，在黎明时降低了加热速率并提高了约1 °C 的冷却。在典型的太阳辐射(939.5 W m−2) 下，膜提供的平均冷却功率为89.0 W m−2，峰值为 95.3 W m−2。值得注意的是，它们在 550.2 W m−2 下实现了 5.1 °C 的冷却降低，保持的温度明显低于传统织物，与医用防护服相比，温度差异为 4.4 °C。这些发现强调了 RC-PC 纤维膜在可持续、高效的个人热管理方面的潜力。相关成果以“Highly Integrated Phase Change and Radiative Cooling Fiber Membrane for Adaptive Personal Thermal Regulation”为题，发表在《Advanced Functional Materials》(期刊号：Adv. Funct. Mater. 2024, 2416111 IF=18.5)上。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202416111
图文速递
图1. 描述 C18@TEOS/PHBV 纤维膜制备步骤的流程图。
图2. 纤维膜的表征。a) 纤维膜、TEOS 预聚物和正十八烷的 FTIR 光谱。b) PHBV 的 SEM 图像和纤维直径分布。c) 50 wt% TEOS/PHBV 的 SEM 图像和纤维直径分布。d）0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV纤维膜的SEM图像和纤维直径分布。e) 0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV 纤维膜的 TEM 图像。
图3. 纤维膜的热性能。纤维膜的 a) TGA 和 b) DSC 曲线。c) 将我们的工作与报告的相关工作进行比较。d）0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV 纤维膜超过 50 个循环的 DSC 循环曲线。连续加热 48 小时的 C18@TEOS/PHBV 纤维膜随时间的 e) 质量变化和 f) 外观变化。
图4. a) 加热台温升试验示意图。b) 纤维膜的红外热成像。c) 温升曲线。d) 氙灯光源照射示意图。e) 纤维膜的升降温曲线。
图5. 纤维膜的光学和冷却性能。a) PHBV、TEOS/PHBV 的太阳辐射光谱（红色）和中红外发射光谱（绿色），b) C18@TEOS/PHBV 纤维膜。c) 白天辐射冷却材料的能量流图。d) 室外冷却温度测试环境。e) 自制对流屏蔽装置示意图。f) 2024年10月5日上午10:00至下午2:00中国深圳0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV纤维膜的制冷功率、环境温度和太阳辐射强度。
图6. 周围环境、50 wt% TEOS/PHBV 和 0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV 纤维膜在 (a) 夜间、b) 黎明和 (c) 白天的温度曲线。d）纤维膜0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV与普通商业织物在阳光直射下的红外热分析图和物理图。(e)医用防护服和(f)白色日常服装表面0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV纤维膜的红外热分析图和实物图。
图7. 纤维膜的机械和疏水性能。a) 纤维膜的应力-应变曲线。b) 纤维膜的平均拉伸强度和断裂应变。c) 纤维膜与水的接触角。d) 0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV 纤维膜的 UPF、透气度和 WVT。
结论
总之，通过同轴静电纺丝开发的 C18@TEOS/PHBV 相变纤维膜显着提高了个人热调节能力。通过采用正十八烷作为核心相变材料和PHBV/TEOS复合外壳，该膜有效地将相变储能与被动辐射冷却结合起来。0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV 纤维膜表现出卓越的光学性能，在紫外-可见-近红外光谱 (0.3-2.5 μm) 上的反射率为 95.0%。添加 TEOS 预聚物可将大气窗口 (8–13 μm) 内的发射率从 79.6% 提高到 88.6%，从而使理论净辐射冷却功率在 25 °C 时从 64.7 W m−2 增加到 81.8 W m−2，在 25 °C 时从 84.7 W m−2 增加到 84.7 W m−2，35 °C 时为 104.6 W m−2。在典型太阳辐射（939.5 W m−2）下，该膜的平均冷却功率为89.0 W m−2，峰值为95.3 W m−2，表面温度始终低于商业织物，比医用防护服低4.4°C 。该膜的相变焓为 88.3 J g−1，增强了其温度调节性能，而黎明时加热速率的降低则使冷却速度提高了约 1 °C。在 550.2 W m−2 太阳辐射下，该膜实现了 5.1 °C 的冷却降低。这项工作通过将相变储能与被动辐射冷却无缝集成，引入了一种新颖的个人热管理方法，为未来提供了一种有前景的纺织品设计策略。
