清華新聞網(wǎng)8月16日電 發(fā)展低能耗的人體熱管理技術(shù)對(duì)于人體健康和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要?；谳椛渲评洌≧adiative cooling）的人體熱管理技術(shù)是一種零能耗方案，可以在不消耗任何能源且無(wú)溫室氣體排放的情況下實(shí)現(xiàn)炎熱環(huán)境中高效的人體降溫，是傳統(tǒng)高耗能制冷設(shè)備（如空調(diào)）的有力補(bǔ)充乃至替代性技術(shù)。
近日，清華大學(xué)化工系張如范副教授課題組與南京大學(xué)朱嘉教授團(tuán)隊(duì)合作，在人體輻射制冷織物研究方面取得重要進(jìn)展，設(shè)計(jì)并制備了一種可以適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景的輻射制冷納米纖維織物，并證明該織物在包括室外晴天、室外陰天以及室內(nèi)的多場(chǎng)景中均展示出優(yōu)異的人體降溫性能和良好的可穿戴性，解決了現(xiàn)有的人體輻射制冷織物應(yīng)用場(chǎng)景受限的問(wèn)題，拓寬了輻射制冷技術(shù)的應(yīng)用范圍，并有望推動(dòng)其大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。
現(xiàn)有的輻射制冷織物主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是對(duì)人體熱輻射高透過(guò)的織物（如聚乙烯納米纖維織物），稱(chēng)之為透射型（Transmission-type）輻射制冷織物。這種織物可以使人體熱量不受阻攔地發(fā)散到周?chē)h(huán)境（通常低于體表溫度）中來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫。另一類(lèi)是對(duì)人體輻射具有高吸收率的織物（根據(jù)基爾霍夫定律，它們對(duì)人體輻射也同時(shí)具有高發(fā)射率），稱(chēng)之為發(fā)射型（Emission-type）輻射制冷織物。這種織物可以先將人體熱量吸收，然后通過(guò)大氣層的透明窗口（8–13μm）將之發(fā)射到寒冷（~3 K）的外太空來(lái)實(shí)現(xiàn)高效降溫。
然而，現(xiàn)有的無(wú)論是透射型還是發(fā)射型輻射制冷織物的應(yīng)用場(chǎng)景是受限的，無(wú)法同時(shí)在室內(nèi)和室外（包括陰天和晴天）場(chǎng)景發(fā)揮高效的人體輻射降溫作用。具體而言，透射型織物的厚度通常很薄，導(dǎo)致其太陽(yáng)反射率很低；因此人體會(huì)大量吸收太陽(yáng)輻射而被加熱，不利于戶(hù)外（特別是晴天）場(chǎng)景的人體輻射制冷。而發(fā)射型織物在室內(nèi)使用時(shí)無(wú)法通過(guò)大氣窗口向外太空散熱，其室內(nèi)降溫性能遠(yuǎn)不如透射型織物。此外，即使在室外場(chǎng)景中，發(fā)射型織物的制冷性能也非常依賴(lài)大氣透明窗口這一散熱路徑。在陰天條件下，該散熱路徑會(huì)被烏云阻斷，導(dǎo)致降溫性能大打折扣。總而言之，現(xiàn)有的典型輻射制冷織物通常適用于單一的場(chǎng)景，限制了其廣泛應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)出一種同時(shí)適用于多種不同場(chǎng)景的人體輻射制冷織物具有重要的意義。
該研究中，作者首次提出了一種適用于多場(chǎng)景的環(huán)境適應(yīng)型人體輻射制冷織物設(shè)計(jì)的理論模型（圖1a）。該模型的特征是在大氣透明窗口波段（8–13μm），織物具有高發(fā)射率（圖2b）；而在非窗口中紅外波段（4–8μm以及13–25μm），織物對(duì)人體輻射具有高透射率。同時(shí)，該類(lèi)織物還兼具高太陽(yáng)反射率。理論計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了這種具有獨(dú)特光譜選擇性的輻射制冷織物可以在多場(chǎng)景（包括室內(nèi)和室外）中實(shí)現(xiàn)高效的人體輻射降溫（圖1c-e）。
基于理論模型，作者制備了一種具有選擇性發(fā)射-透射特性的聚甲醛（POM）納米纖維織物（圖2）。該織物選擇性地在大氣窗口（8–13μm）表現(xiàn)出高發(fā)射率（75.7%），在剩余的非窗口中紅外波段具有高人體輻射透過(guò)率（~70%），同時(shí)具備高的高太陽(yáng)反射率（94.6%）。光譜測(cè)試結(jié)果表明：聚甲醛納米纖維織物是一種典型的環(huán)境適應(yīng)型輻射制冷織物。多場(chǎng)景下的測(cè)試結(jié)果證明，該聚甲醛納米纖維織物體現(xiàn)出優(yōu)于已報(bào)道的典型輻射制冷織物和商用棉布的人體散熱性能，可同時(shí)在多種炎熱場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)高效的人體降溫（圖3）。具體而言，相比于現(xiàn)有典型輻射制冷織物和商用棉布，聚甲醛納米纖維織物在晴天室外場(chǎng)景中的降溫幅度達(dá)到2.6~8.8℃，在多云室外場(chǎng)景中的降溫幅度達(dá)到0.7~3.6 ℃，在室內(nèi)場(chǎng)景中的降溫幅度達(dá)到0.5 ~1.2 ℃（值得注意的是，在室內(nèi)場(chǎng)景使用時(shí)，每降低1℃，意味著空調(diào)臨界溫度可以提高1℃，對(duì)應(yīng)可以節(jié)省~7%的能量消耗）。
此外，聚甲醛納米纖維織物還具有良好的可穿戴性（圖4），包括高透氣性、高水蒸氣透過(guò)率、高抗拉強(qiáng)度、高耐水性、高耐紫外照射性和高耐環(huán)境穩(wěn)定性等。將聚甲醛織物作為醫(yī)用防護(hù)服時(shí)，體現(xiàn)出顯著優(yōu)于商品防護(hù)服的制冷性能。在室外強(qiáng)陽(yáng)光照射（≥800 Wm-2）下，相比于商品防護(hù)服，聚甲醛納米纖維降溫幅度達(dá)到~6℃，在室內(nèi)環(huán)境中也可以降低~1 ℃。
該研究從理論上提出并從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種適用于多場(chǎng)景的環(huán)境適應(yīng)型人體輻射制冷織物設(shè)計(jì)，也為將來(lái)設(shè)計(jì)更多高效的人體熱管理材料提供了新的思路。
圖1.環(huán)境適應(yīng)型發(fā)射-透射（Adaptive-type）輻射制冷模型的建立和理論計(jì)算
圖2.聚甲醛（POM）納米纖維織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能表征
圖3.聚甲醛（POM）納米纖維織物在不同場(chǎng)景下的降溫性能測(cè)試
圖4.聚甲醛（POM）納米織物的可穿戴性測(cè)試以及防護(hù)服應(yīng)用
該研究以“一種多場(chǎng)景適用的人體輻射制冷織物”（An All-Weather Radiative Human Body Cooling Textile）為標(biāo)題，以研究長(zhǎng)文形式發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然-可持續(xù)發(fā)展》（Nature Sustainability）上。
論文通訊作者為清華大學(xué)化工系張如范副教授，共同通訊作者為南京大學(xué)朱嘉教授。論文共同第一作者為清華大學(xué)化工系博士后吳學(xué)科和南京大學(xué)2020級(jí)博士生李金磊。其他合作者包括清華大學(xué)化工系博士后張文碩、王寶順、2019級(jí)博士生姜沁源、2020級(jí)博士生李潤(rùn)、2021級(jí)博士生趙思名、2021級(jí)博士生汪菲、2022級(jí)博士生趙彥龍、2023級(jí)博士生黃婭、武漢紡織大學(xué)2019級(jí)博士生呂佩。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41893-023-01200-x
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
