一、研究背景
空调等广泛使用的主动冷却系统消耗大量能源，约占全球电力消耗的15%。被动辐射冷却是一种新兴的冷却技术，通过大气窗口(8-13μm)将辐射热量传递到周围温度较低的环境，甚至进入寒冷的外层空间(近3K)。辐射冷却技术在个人热管理方面显示出巨大的潜力，因为辐射传热是人体的主要散热途径，占人体总传热的 40-60%。各种辐射冷却纺织材料已被开发用于不同环境下的人体冷却，包括室内和室外。根据其冷却机制，辐射冷却纺织品可分为两类，即主要用于室内环境的传输型纺织品和通常用于室外的发射型纺织品。前一类纺织品，例如纳米多孔聚乙烯(PE)基纺织品，对中红外(MIR)波段的人体辐射是透明的，对可见光不透明。因此，人体(~34°C)可以通过这种纺织品直接向周围环境散发热量来冷却；该方法已被证明是室内辐射人体冷却的最佳选择。相比之下，发射型纺织品通过大气窗口(8-13μm)将人体热量散发到寒冷的外层空间。使用的材料通常是聚合物或聚合物介电复合材料，含有强分子振动和分层设计的纳米结构。与外层空间的直接热交换和高太阳反射导致发射型辐射冷却材料有可能在强烈直射阳光下实现低于环境的冷却效果，使其成为室外人体冷却的理想选择。
如果辐射冷却纺织品能够在室外和室内环境中有效地冷却人体，那将是理想的选择。具有高太阳反射率的透射型纺织品是实现这一目标的最佳理论选择。然而，由于厚度限制造成的大量太阳热负荷(来自低太阳反射率)，现有的透射型纺织品在暴露于室外热量时表现出较差的冷却性能。尽管人们已经做出了各种努力，包括纳米颗粒和微米颗粒纺织品的设计来提高此类材料的太阳反射率，但平衡人体兼容性(无害性和舒适性)和高冷却性能仍然是一个挑战。此外，为了使发射型纺织品实现良好的冷却性能，需要有一个清晰的传热通道，通过大气窗口将辐射热传递到外层空间。因此，当此类材料用于室内环境且不存在辐射热传递到外部空间的通道时，冷却性能会受到很大影响。此外，即使在室外，阴天大气窗口也可能被部分或完全堵塞，导致制冷性能大幅下降。因此，要设计一种在各种室外(包括晴天和阴天条件)和室内环境下支持高冷却性能的辐射冷却纺织品，精确调节材料在多个波段(包括大气窗口、非-中红外和太阳波段的窗口)结合了发射和传输工作模式的优点。
二、研究成果
近日，清华大学张如范团队展示了一种聚甲醛(POM)纳米织物设计，该设计采用了发射和传输模式之间的自适应散热机制，使人体能够独立于环境(室内和室外)降温。最重要的是，聚甲醛织物在8-13μm波段的选择性发射率为75.7%(高选择性为1.67，8-13μm波段的平均发射率与4-25μm波段的平均发射率之比为1.67)，在4-25μm波段的透过率为48.5%，在0.3-2.5μm波段的太阳反射率为94.6%。结果表明，与典型的透射型、排放型和商用棉织物相比，聚甲醛纺织品在晴朗的室外(分别降温7.8C、2.6C和8.8C)、多云的室外(分别降温2.9C、0.7C和3.6C)和室内环境(分别降温0.2C、1.2C和0.5C)下，具有显著的辐射人体降温性能。此外，POM纺织品还表现出良好的透气性、高拉伸强度和高湿度条件下的良好性能。现场测试表明，该POM纺织品健康防护服在晴朗的室外(5.4°C凉爽)、多云的室外(1.3°C凉爽)和室内环境(~1.0°C凉爽)下的降温性能明显优于商用同类服装。该研究工作以题为“An all-weather radiative human body cooling textile”的论文发表在国际顶级期刊《Nature Sustainability》上。
三、图文速递
图1. 采用自适应辐射冷却模式的纺织品的设计和模型计算
该研究在不同环境下实现高效人体冷却的设计背后的机制如图1所示。自适应纺织品在大气窗口(8-13μm)内表现出发射型特征，在窗口外表现出透射型特征，通过充分利用大气窗口使其具有最佳的发射冷却效果，同时保留透射冷却能力大多数人体辐射(~61%)。其半发射和透明的特性克服了透射型纺织品的厚度限制，有望通过纳米结构调控实现与发射型纺织品相似的高太阳光反射率。由于选择性光学设计，该纺织品设计可以通过中红外发射(主要有助于阳光明媚的室外冷却)和中红外传输(有助于室外和室内冷却)来实现人体冷却。通过求解稳态传热模型，对不同类型纺织品(发射型、传输型和自适应型)在室外和室内环境中的冷却性能进行数值评估和比较。结果表明，在强阳光(800 W·m−2)的室外环境下，自适应型纺织品的皮肤表面温度明显低于透射型(低25.7℃)和发射型(低4.2℃)纺织品。出现这种情况的原因是，与透射型纺织品相比，该纺织品设计具有更高的太阳反射率，并且与发射型纺织品相比，无窗中红外透射具有额外的冷却效果。对于室内环境，自适应型纺织品的皮肤表面温度略高于透射型纺织品的皮肤表面温度(0.8°C)，但明显低于发射型纺织品的皮肤表面温度(2.5°C)。这表明当前纺织品的冷却性能几乎与透射型纺织品一样好，并且远优于发射型纺织品，这得益于其高中红外透射率(61％)。因此，POM 纺织品在室外和室内环境中均表现出良好的性能。
图2. POM纺织品的设计、制备和光谱分析
对于理想的自适应型纺织品，其分子键和官能团的振动吸收和发射频率应限制在大气窗口波段(8-13μm)。而POM是一种有前途的开发辐射冷却纺织品的原料，无需依赖工作环境。除了选择性的中红外发射和透射之外，对于白天室外环境的辐射冷却材料来说，强太阳光反射率也是必要的。然而，商业 POM 产品的太阳反射率较低。根据米氏散射理论,当纤维直径分布接近波段时，纤维纺织品表现出高散射效率。因此，假设直径分布与太阳光波长相当的POM纳米纤维在白天室外环境中表现出很强的太阳反射率。而且，光纤尺寸远离中红外波段，导致该波段的米氏散射效率较低，有利于无窗中红外波段的人体辐射透过率较高。合成的POM纺织品在0.3-2.5μm波段表现出高达94.6%的太阳反射率，在0.3-1.5μm太阳主波段平均反射率达到95.2%。相比之下，在4–25 μm的MIR区域，POM纺织品表现出6.3%的超低反射率，表明其具有较高的MIR发射率和透射率，因此是一种理想的非反射纺织品。POM纺织品在8-13μm的大气窗口内表现出75.9%的高选择性发射率，在大气窗口外的平均透射率为70.0%。而且，POM纺织品在4-25μm整个中红外区域的平均透过率达到48.5%，表明它可以透过人体近一半的辐射能量。这些结果表明，合成的POM纺织品具有上述自适应辐射冷却模型的特性，有望提供环境自适应的人体冷却。
图3. POM纺织品的人体冷却测量，将其与裸露皮肤和商品棉，透射型PE和发射型PVDF覆盖的皮肤进行比较
使用定制测量设备在中国南京炎热夏季的三种典型环境中研究了合成POM纺织品的全天候辐射人体冷却性能，包括晴朗的室外、阴天的室外和室内环境。研究了裸露皮肤(裸露的皮肤模拟器)和三种典型纺织品(商业棉、发射型聚偏二氟乙烯(PVDF)和透射型纳米多孔PE(Nano-PE))的皮肤进行比较。具体来说，所选的PVDF和Nano-PE纺织品在整个MIR区域分别实现了高发射率(90.0％)和透射率(96.9％)，而前者还表现出接近于的高太阳光反射率(95.1％)。POM纺织品，分别符合发射型和传输型辐射冷却模型。这些样品被放置在类似的测量装置中，每个装置由纺织品样品、皮肤模拟器、周围的绝缘泡沫和用于监测皮肤模拟器实时温度的K型热电偶组成。对加热器施加恒定的输入功率(140 W m−2)来模拟人体皮肤的代谢产热速率，相应的温度反映了不同样品的冷却性能。这些皮肤模拟器和热电偶经过仔细校准，以确保测量温度之间的差异仅由样品的不同光学特性引起。
在室外环境中(晴天和阴天环境)，POM织物覆盖的皮肤模拟器在五个样品中具有最低的表面温度。在强直射阳光(>800 W m−2，峰值太阳辐照度约为935 W m−2，环境温度为34.1 °C)的晴朗场景下，从上午10点到下午1点，POM的温度织物覆盖的皮肤模拟器比裸露皮肤和棉、Nano-PE和PVDF覆盖的皮肤分别低15.7℃、8.8℃、7.8℃和2.6℃。在炎热多云的室外环境(Tamb = 37.4 °C)下，POM织物覆盖的皮肤模拟器的表面温度也远低于其他模型，具体为5.5 °C、3.6 °C、2.9 °C和0.7 °C 。这些结果表明，POM纺织品对人体表现出最佳的户外冷却性能。发生这种情况的原因是其平均太阳反射率高于裸露皮肤、棉花(约68%)和 Nano-PE(约48.4%)，以及当与PVDF相比。POM 纺织品在室内环境中也表现出良好的冷却性能，这使得主动冷却装置可以采用更高的空气温度设定值来维持人体热舒适度，每升高1 °C可以节省约7%的冷却能源成本。
POM纺织品在室内场景下的人体冷却性能接近Nano-PE，并且优于PVDF和商业棉纺织品。综合考虑室内和室外热测量结果清楚地表明，POM纺织品对人体具有最有效的冷却效果。此外，在没有皮肤模拟器(加热器)的情况下，由于天空辐射冷却，POM纺织品也可以在强阳光下实现良好的低于环境温度的白天冷却性能，这表明其在个人热管理之外的应用潜力。
图4. POM纺织品的耐磨性测试
合成POM织物除了具有优越的辐射冷却性能外，还具有良好的透气性、机械强度、防水性和抗湿性等耐磨性能。首先，测量了POM纺织品的透气性，透气性指的是在压差作用下通过气流将人体热量从纺织品中带走的能力；这个指标对人类的舒适度很重要。当将POM纺织品夹在水和空气之间时，连续的气泡渗透，纺织品没有破裂，这表明纺织品具有良好的透气性。此外，还测量了水蒸气透射率(WVTR)，它代表了纺织品转移汗水蒸发产生的水蒸气的能力。POM纺织品显示出较高的WVTR (0.011 g cm−2 h−1)，与商品棉(0.010-0.012 g cm−2 h−1)相似。
此外，POM纺织品的抗拉强度也很高，达到13.3 MPa，与商品棉的抗拉强度(14.7 MPa)相当。高机械强度归因于POM的高结晶度，其具有较高的固有强度(70 MPa)。在这些不同的纺织品中，POM纺织品的伸长率最高(~300%)，表明它具有与皮肤舒适互动的高灵活性。对这些样品的抗湿能力进行了比较，这对于在潮湿环境中保持纺织品干燥和清洁很重要。POM纺织品的水接触角达到138°，半小时后保持在122°，远高于其他三种纺织品，说明POM纺织品的防水和抗湿能力最高。此外，POM纺织品还具有高抗强紫外线性，高户外曝晒稳定性，高耐磨性和高颜色兼容性，并且可以进行改性以获得良好的耐洗性。
该研究还测试了POM纺织品在防护服上的真实性能，方法是将一块POM布缝在一件商用防护服的胸部一侧(其中对应位置的商用布已经剪掉)，同时保留另一侧进行比较。记录穿着改良防护服的受试者在三种典型环境(室外阳光、室外阴天和室内环境)下的热性能。此外，还通过头探头热电偶实时监测服装下相应的皮肤温度。结果共同表明，在各种户外环境中，聚甲醛纺织品的辐射冷却性能明显优于商业防护服。在室外和室内环境下，POM纺织品的冷却性能都优于商用防护服，应该具有很高的商业化潜力。
四、结论与展望
该研究设计了一种用于环境自适应辐射人体冷却的混合辐射冷却模型，并制备了在大气窗口(8-13 μm)内选择性发射率为75.7%，人体辐射透过率为48.5% (4-25 μm)，太阳反射率为94.6% (0.3-2.5 μm)的聚甲醛纺织品。在室外和室内环境(降温0.5 ~ 8.8℃)下，与现有的典型辐射降温纺织品和商品棉织物相比，POM纺织品的人体降温性能均优于传统的辐射降温纺织品。涤纶织物具有良好的透气性、抗拉强度和抗湿性能。在室外和室内环境中，基于聚甲醛纺织品的防护服显示出比商业同类产品更优越的实际冷却效果(近1-6°C)。这项工作为室外和室内人体冷却不兼容的设计提供了解决方案，有助于下一代可持续的个人热管理。
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41893-023-01200-x返回搜狐，查看更多
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