2016年11月11日 星期五 09:15:33
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基于纳米加工的低温日间辐射冷却纺织品

发表时间:2021/11/24

要将温度调节到人体舒适的范围往往需要消耗大量能量。因此,目前大量的研究工作都致力于开发无需任何能量消耗就能降低人体温度的被动个人热管理技术。尽管先前研究学者已经提出了各种冷却纺织品的设计方法,但尚未实现基于纺织品的日间辐射冷却到低于环境温度。最新研究表明,蚕丝的光学特性源于其分层微结构,这为研究人员探索日间辐射冷却提供了一个极具前景的方向。

近期,南京大学与斯坦福大学研究团队通过分子键合设计和可扩展的偶联剂辅助浸涂方法探索蚕丝的纳米加工,并证明了通过纳米加工的蚕丝可以实现亚环境日间辐射冷却。相关研究以“Subambient daytime radiative cooling textile based on nanoprocessed silk”为题发表于Nature Nanotechnology上。


纳米蚕丝的设计

研究人员用一种可伸缩的偶联剂辅助浸涂的方法对蚕丝进行处理,加工后的蚕丝保持了其原有的服用性能。此外,为了提高在紫外波段的反射率,使用偶联剂通过分子键合策略将具有高折射率的无机氧化物纳米颗粒结合到蚕丝上。同时,可见光-近红外波段的反射率也得到了提高,蚕丝在整个太阳光谱中的总反射率可以达到大约95%。


纳米蚕丝的日间辐射冷却设计


制备与表征

研究人员使用Mie散射理论计算了Al2O3颗粒在紫外光谱上的散射效率与颗粒大小的函数关系,确定了使用尺寸约为300 nm的Al2O3纳米颗粒用于后续试验。选择钛酸四丁酯作为偶联剂,将Al2O3颗粒附着在蚕丝上。研究发现,钛酸四丁酯能与Al2O3表面的羟基形成氢键,减少Al2O3颗粒的团聚。此外钛酸四丁酯能与蚕丝中的氨基酸形成较强的共价键。因此,通过这种分子键设计策略,Al2O3颗粒与蚕丝之间形成了较强的黏附性。


纳米蚕丝的制备与表征


性能测试

研究人员对天然蚕丝和纳米蚕丝进行了22 h的连续辐射冷却测试。研究发现,由于热释放,天然蚕丝的温度在夜间低于环境温度,但在白天(9:00 ~17:00)其温度通常高于环境温度。相比之下,纳米蚕丝的温度在白天和晚上都一直低于环境温度,在15:00太阳辐照度超过800 W·m-2时,纳米蚕丝的平均温度仍比环境空气温度低约3.5 °C。


天然蚕丝和纳米蚕丝辐射冷却性能测试


研究人员还测试了阳光下蚕丝覆盖模拟皮肤时的冷却性能。模拟皮肤由硅橡胶绝缘柔性加热器组成。结果显示,当用纳米蚕丝覆盖模拟皮肤时,皮肤的温度比用天然蚕丝或棉花覆盖的模拟皮肤温度分别低约8、12.5 ℃。以上结果显示了纳米蚕丝具有优异的冷却性能,这是由于其增强的太阳反射和其固有的热辐射性能相结合,后者可以最大限度地减少热输入,而这些性能不受纳米处理的影响。

此外,研究人员对纳米蚕丝的穿着舒适性进行了测试。结果显示,纳米蚕丝的水蒸汽透过率与天然蚕丝和Tyvek(特卫强)相似,略高于棉花;在Al2O3纳米颗粒的覆盖下,蚕丝的芯吸距离仍为10 mm,可与天然蚕丝媲美;并通过水洗和日光干燥测试了纳米蚕丝织物的耐洗性。


纳米蚕丝的热性能及服用性能测试


文章链接:https://doi.org/10.1038/s41565-021-00987-0


(来源:纺织导报官微)