转自 能源光电子
近年来，研究人员越来越关注利用辐射冷却纺织品来维持人体热舒适性。辐射冷却通过大气透明窗口（ATW，8–13 μm）向寒冷的外太空辐射热量，同时在太阳光谱区域（0.3–2.5 μm）反射太阳辐射，从而无需能耗即可实现有效冷却。例如，Zeng 等人开发了一种由二氧化钛/聚乳酸和聚四氟乙烯组成的分层结构辐射冷却纺织品。这种设计不仅提供了优异的机械强度、防水性和透气性，还能够在0.3–2.5 μm波长范围内实现光谱调控，并确保高效的辐射冷却性能。Yang 等人研制了一种经二氧化硅微球修饰的“鱼骨状”织物薄膜，该薄膜在大气窗口范围内表现出高发射率，并对太阳辐射具有强反射性，展现出室内外应用的卓越冷却效果。
然而，一个关键问题在于，这些辐射冷却纺织品通常以水平方式应用，在阳光充足且无遮挡的环境中可以实现有效冷却。然而，在更复杂的现实应用中，其效果可能会受到限制。由于大多数纺织品的实际使用场景是垂直方向（例如人在站立时，见图1a, b），它们更可能吸收来自墙壁和地面的热量，吸热比例可高达50%。目前，随着城市热岛效应的加剧，这部分额外的热量对人体的影响不断增加，给冷却纺织品的效果和人体热舒适性的维持带来了显著挑战。
城市热岛效应是由于城市化进程加快，天然表面被大量建筑物、道路及其他人工结构替代所引起的。这些人工表面对热量的吸收增加，导致城市区域温度上升。此外，混凝土和沥青等城市建筑材料具有高吸热性和低反射率，白天会吸收大量热量并快速升温。这一现象进一步加剧了城市热岛效应，导致极端高温，不仅影响人体热舒适性，还可能引发与高温相关的疾病，如神经和呼吸系统疾病。上述问题凸显了研究应对城市热岛效应对人体影响的紧迫性。
开发高光谱选择性纺织品以应对城市热岛效应的策略
开发在大气透明窗口（ATW）范围内具有高发射率、在非ATW范围外具有高反射率的光谱选择性纺织品，是应对城市热岛效应的有效策略。然而，大多数天然和合成纺织品在非ATW区域存在大量化学键振动，例如棉花中的–OH（3100至3600 cm⁻¹）和蚕丝中的–CONH-（1520至1720 cm⁻¹）。相比之下，聚甲基戊烯（PMP）仅含有C–C（942至1066 cm⁻¹）、–CH₂（1168至1241 cm⁻¹）、–CH（848至871 cm⁻¹）和–CH₃（931 cm⁻¹, 1103至1150 cm⁻¹）键，因此在ATW范围内表现出优异的选择性发射潜力。基于此，Wu等人最近采用静电纺丝技术开发了一种中红外（MIR）光谱选择性层次织物（SSHF）。该织物通过减少人体从建筑物和热地面的热量吸收，在城市环境中提供增强的冷却性能。
图1
SSHF的设计与特性
SSHF由PMP微/纳米纤维、银纳米线（AgNWs）和羊毛织物组成（图1c）：
上层：由PMP制成，作为高效选择性发射层，光谱选择性比（ATW平均发射率与非ATW发射率的比值）高达2.34，仅在ATW波段内表现出高发射率，而不会吸收或反射其他波段的光。
中层：由AgNWs组成，增强了整个MIR范围内的反射率，防止红外辐射穿透到人体。
下层：采用羊毛作为宽带发射体，通过AgNWs层进一步将人体皮肤的热辐射向外传导。
这种多层结构最大限度地减少了来自环境的热吸收，从而提高了人体热舒适性。研究表明，在太阳辐射强度较低时，棉花、丝绸和聚酯等宽带纺织品表现出更好的冷却性能；而当太阳辐射强度达到480 W/m²时，SSHF能有效阻挡地面热辐射，展现出更优异的冷却能力（图1d）。
静电纺丝技术及参数优化
静电纺丝制备的纤维以其小直径和超高比表面积著称。通过静电纺丝工艺将PMP高分子材料加工成均匀的微/纳米纤维，纤维结构中丰富的孔隙显著提升了材料的光学性能。纤维直径对织物的光学特性有显著影响。研究发现，减少溶液浓度可以显著降低纤维尺寸。有限元模拟分析显示，较小横截面的纤维会降低散射效率（图1e），而适当增加厚度能提升织物的反射率和发射率。综合冷却性能和经济效益，最佳纤维浓度为2 wt%，厚度为292 μm。
舒适性与耐用性
为满足穿着需求，SSHF在耐磨性和透气性方面表现优异。其微/纳米纤维网络粗糙的表面结构使接触角达到135°，赋予SSHF自清洁性能。此外，经过多次拉伸释放和清洗测试后，SSHF的反射率和发射率几乎没有变化，表现出良好的耐久性（图1f）。
冷却性能测试与模拟
户外冷却测试中，SSHF在水平和垂直两种方向上均展现出卓越的冷却效果（图1g）。
水平测试（图1h）：SSHF在夜间的平均温降达12.6°C；白天高峰太阳辐射下，其温度比环境低约6.2°C。
垂直测试（图1i）：即使在受到地面和模拟建筑物热辐射的条件下，SSHF的温度仍低于商业纺织品。在夜间，选择性发射体的冷却能力略高于宽带发射体（图1j），因为其在阻挡地面热辐射方面更具优势。
为模拟SSHF在城市场景中的冷却性能，研究者构建了一个三维理论模型（图1k）。在850 W/m²的太阳辐射强度下，SSHF与宽带发射体相比，冷却性能显著更优，且在高密度城市结构中这一优势更加明显。
中科院院士郑州大学申长雨教授与南澳大利亚侯仰哲博士在本文介绍了一种针对城市热岛效应设计的层状冷却织物，展示出卓越的透气性和耐磨性。该织物通过结合PMP的选择性发射、AgNWs的高反射性以及羊毛的宽带发射，实现了最佳冷却性能。在垂直于地面的情况下，SSHF的温度比宽带发射体低2.3°C；在接近水平放置时，其温度比环境低6.2°C，展现出优异的户外冷却能力。此外，该织物能够适配多种宽带发射基底，从而拓宽了其应用范围。
然而，SSHF仍存在一定的局限性。例如，先进材料的使用及复杂的制备工艺可能导致成本上升；同时，在真实环境中样品的长期耐久性仍不确定。这些因素可能对产品的实际应用带来挑战。因此，未来的研究应着重于降低成本，并评估材料在多种环境中的稳定性。
总体而言，这项工作填补了关于城市热岛效应对辐射冷却影响的研究空白，并提出了一种切实可行的策略来缓解来自地面和建筑物的热辐射。这不仅丰富了冷却织物研究的理论基础，也为未来研究提供了更全面的参考。
申长雨，郑州大学教授，塑料成型及模具技术专家，1984年毕业于解放军铁道兵工程学院机械系，1987年、1990年先后获大连理工大学硕士、博士学位。现任国家知识产权局局长，曾任郑州大学和大连理工大学校长。2009年当选中国科学院院士。
长期从事塑料成型加工、塑料模具优化设计与制造等领域的理论、技术和数值模拟方法的研究。发展了注塑成型充模/保压、冷却、翘曲等过程的数理模型和计算方法；研究了塑料成型过程中微结构的生成和演化，以及对制品性能的影响；构建了基于灵敏度分析的注塑模冷却系统优化设计方法，发展了高效实用的塑料成型工艺控制、塑料模具优化设计模型和算法；研制出了高抗冲击性和高光谱透过率的“神七”出舱服面窗制品。曾获国家科技进步二等奖等多项奖励。
