清华大学张如范教授团队ACS Nano: 集成针织导汗和涂层导热的辐射制冷超织物

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-03 07:33

正文

辐射制冷是一种新兴的零能耗热管理技术，对高温天气户外场景中的人体降温具有重要意义。然而，现有的辐射制冷纺织品受限于固有降温功率低、疏水性高和导热性差等问题，难以在实际应用中实现令人满意的降温效果。

近期，清华大学化工系张如范副教授团队开发了一种集成优异排汗性能、热传导性能和辐射制冷降温性能于一体的超织物，该织物正面采用聚甲醛（POM）纳米纤维纺织品作为选择性辐射制冷发射体，反面采用亲肤导热硅胶作为热传导体，并采用图案化的竹纱线作为汗液传输通道。这种超织物能够迅速（几秒钟内）从皮肤表面吸收汗水并传输至织物外侧，同时织物导热系数高达 1.5 W/(m·K)，防止人体在高温户外出现过热现象，表现出优异的人体降温效果（比没有汗液时的超织物低 10.9 ℃）。此外，即使不排汗，超织物仍能够比商用棉布实现 9.6 ℃的降温，这项研究为设计具有实际应用价值的个人热管理纺织品提供了一种新的思路。该工作以“Radiative Cooling Meta-Fabric Integrated with Knitting Perspiration-Wicking and Coating Heat Conduction”为题发表在《ACS Nano》上。文章共同第一作者为课题组访问学者刘瑞娜和课题组博士生赵思名，通讯作者为清华大学张如范副教授。

研究团队首先对超织物进行了合理的模型和光谱设计以满足夏季高温户外实际场景下的使用（图1a, 1d）。为了发挥人体多种散热途径的优势（图1a），研究团队精心设计了一种将选择性热辐射、排汗和热传导合理结合在一起的超织物材料，超织物的正面主要基于POM纳米纤维膜实现在 0.3-2.5 μm 波段内较高的太阳光反射率，并在中红外区域表现出选择性发射和透过性能，在大气透明窗口（ATW 8-13 μm）具有较强的热辐射。同时为了增强汗液的传输和蒸发，采用针织不对称结构的天然竹纱线作为汗液传输通道（图1b），不对称设计提供了一个浓度梯度，加速了汗液的传输，并增强了蒸发散热。此外，为了获得更好的可穿戴性和生物相容性，织物反面使用了亲肤导热硅胶作为热传导材料，从而提高超织物在实际应用中的热通量（图1c），使人体在炎热户外时及时散热，避免过热现象出现。

图1. 超织物的模型和光谱设计

研究团队按照设计思路制备出了辐射制冷超织物，对结构、光谱和热传导性能进行了测试表征，导热硅胶和 POM 两侧的微观结构分别如图 2a 和图 2b 所示，导热硅胶在 POM 薄膜表面形成了一个连续层，填充了纤维之间的空隙，POM 一侧呈现出典型的静电纺丝纤维膜形态，纤维直径在 0.4 至 1.0 μm 之间（图 2c），与主要的太阳光波长密切相关，根据米氏散射原理，这些 POM 纳米纤维表现出较高的太阳光反射率。竹纱线作为纤维素纤维的一种，含有大量亲水性羟基，增强了织物的吸汗能力，其扫描电镜图像显示结构疏松，纤维束数量多，比表面积高（附图 S1c 和 S1d），有利于吸汗排汗。在 0.2-2.5 μm 波段，超织物和 POM 薄膜的太阳光反射率分别为 96.53% 和 96.93%，表明竹纱线对太阳光反射率的影响很小。此外，在 8-13 μm 的大气窗口，超织物的中红外发射率高达 80.3%，高于 POM 薄膜的 75.1%，归因于POM 和竹纱线中的 C-O-C 键以及硅胶中的 Si-O 键的红外吸收振动峰都位于 8-13 μm 的 ATW 光谱区域内。在炎热的室外环境中，提高热传导以及时增加皮肤表面的热通量，防止人体过热也很重要。然而，大多数织物，尤其是辐射制冷织物，导热系数通常低于 0.1 W/(m·K)，而且普遍是隔热的，相比之下，超织物的热传导系数大约在1.0-2.0 W/(m·K)，超过了商用棉布和POM纤维膜，进一步增强了人体散热。

图2. 超织物的结构、光谱和热传导系数测试表征

在炎热的夏季，人体出汗是一种常见现象，尤其是人们在参加户外活动时，因此，织物具有良好的排汗性对于保持人体舒适度至关重要。如图 3a 所示，无论水滴落在超织物哪一面，只要接触竹纱线，接触角都会迅速减小并接近 0°，表明织物的疏水性很容易通过竹纱线的分布来调节。将超织物垂直悬挂并浸入水中，由于渗透现象，水会在重力作用下向上扩散，即使竹纱线的用量远少于 POM 和硅胶，但由于竹纱线通道的存在，水的扩散速度较快，开始时大约1.0 cm/min，20 分钟后达到 7 厘米的高度（图 3b），这表明超织布在垂直方向上具有出色的汗液传输性能。以商用棉布作为对比样品，用9克/升的NaCl 溶液作为模拟汗液，对面料的正反面进行了扩散测试，如图 3c 所示，汗液在超织物两面的扩散速度都优于棉布。模拟汗液在超织物正面和反面竹纱线的扩散和渗透过程如图 3d和3e所示，汗液几秒内在超织物正面沿着竹纱线迅速扩散，在反面，渗透是主要过程，这有利于汗液通过毛细作用从皮肤侧传输至织物的外表面，表明超织物具有优异的导汗性能，并且通过竹纱线在正反面的不对称图案化设计实现了单向导汗。

图3. 模拟汗液传输性能

在模拟皮肤和真实人体皮肤表面，研究团队对超织物进行了户外降温测试，如图 4d 和 e 所示，在炎热的晴天（10:00 至 15:00，太阳辐照功率 > 700 W m^-2，T_amb = 35.1 ℃），超织物表现出优异的降温性能。超织物覆盖的模拟皮肤的平均温度约为 44.2 ℃，是所有测试面料中温度最低的，与裸皮肤、棉布覆盖的模拟皮肤和 POM纳米纤维膜覆盖的模拟皮肤之间的温差分别为 15.4 °C、9.6 °C 和 1.6 °C。由于竹纱线在 POM 表面的稀疏分布，超织物和 POM 膜的太阳光反射率几乎相同，而在 8-13 μm 的大气窗口，超织物的红外发射率略高于 POM，因此具有更好的降温性能。同时，考虑到人体作为热源，超织物中的导热硅胶层能及时有效地将皮肤表面的热量散发出去，增强了制冷效果，给皮肤带来清爽的凉感，与纯POM膜相比，超织物的冷却效果更强，使超织物有望应用于对热舒适度要求更高的领域。

研究团队测试了超织物在出汗情况下的降温性能，如图 4f 和 4g 所示，在环境温度为 26.8 ℃、太阳辐照度大于 500 W m^-2 的晴天，从 11:30 到 14:30，研究团队将模拟汗液均匀地洒在皮肤模拟器上，模仿人体出汗的现象，从 11:40 到 12:20，随着模拟汗液的排出和蒸发，被超织物覆盖的模拟皮肤的平均温度仅为 27.7 ℃，比裸皮肤和超织物无汗液时的温度分别低 26.2 ℃ 和 10.9 ℃，这些结果表明，具有汗液蒸发功能的超织物更适合在炎热天气下的人体降温。此外，研究团队还测试了真实人体皮肤出汗时的降温，如图 4h 和图 4i 所示，在太阳辐照度为 500~900 W m^-2 的炎热晴天，从12:15 至 12:45，人在阳光下曝晒 10 分钟后开始出汗，12:26到12:32，被超织物覆盖的皮肤平均温度为32.5 ℃，分别比裸皮肤、棉布和POM纤维膜覆盖的皮肤温度低10.5 ℃、2.5 ℃和1.7 ℃，具有重要的实际应用前景。

图4. 超织物的户外降温测试

此外，超织物还具有较好的可穿戴性和易实现的多色彩化（只需简单替换不同颜色的竹纱线），有望实现实际场景下的应用。

图5. 超织物的可穿戴性测试

通讯作者简介：

张如范 清华大学化工系长聘副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员，Coatings编委、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年编委。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文120余篇。申请发明专利20项；撰写学术专著7部。曾获中国颗粒学会自然科学奖一等奖（2024）、中国纺织工业联合会自然科学二等奖（2024）、中国石油与化学工业联合会青年创新奖（2024）、全球华人化工学者学会未来化工学者（2024）、侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、2018年《麻省理工科技评论》中国区 “35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、SusMat青年编委杰出贡献奖（2022）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c12196

来源：高分子科学前沿

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