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基于納米加工的低溫日間輻射冷卻紡織品

發(fā)表時間：2021-11-25 14:11:08 作者： 來源：紡織導報 瀏覽：次

 要將溫度調節(jié)到人體舒適的范圍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開發(fā)無需任何能量消耗就能降低人體溫度的被動個人熱管理技術
。盡管先前研究學者已經提出了各種冷卻紡織品的設計方法
，但尚未實現(xiàn)基于紡織品的日間輻射冷卻到低于環(huán)境溫度。最新研究表明
，蠶絲的光學特性源于其分層微結構，這為研究人員探索日間輻射冷卻提供了一個極具前景的方向
。

近期

，南京大學與斯坦福大學研究團隊通過分子鍵合設計和可擴展的偶聯(lián)劑輔助浸涂方法探索蠶絲的納米加工
，并證明了通過納米加工的蠶絲可以實現(xiàn)亞環(huán)境日間輻射冷卻
。相關研究以“Subambient daytime radiative cooling textile based on nanoprocessed silk”為題發(fā)表于Nature Nanotechnology上。

 

納米蠶絲的設計

研究人員用一種可伸縮的偶聯(lián)劑輔助浸涂的方法對蠶絲進行處理

，加工后的蠶絲保持了其原有的服用性能
。此外
，為了提高在紫外波段的反射率
，使用偶聯(lián)劑通過分子鍵合策略將具有高折射率的無機氧化物納米顆粒結合到蠶絲上
。同時，可見光-近紅外波段的反射率也得到了提高
，蠶絲在整個太陽光譜中的總反射率可以達到大約95%
。

 

納米蠶絲的日間輻射冷卻設計

 

制備與表征

研究人員使用Mie散射理論計算了Al2O3顆粒在紫外光譜上的散射效率與顆粒大小的函數關系，確定了使用尺寸約為300 nm的Al2O3納米顆粒用于后續(xù)試驗

。選擇鈦酸四丁酯作為偶聯(lián)劑
，將Al2O3顆粒附著在蠶絲上。研究發(fā)現(xiàn)
，鈦酸四丁酯能與Al2O3表面的羥基形成氫鍵，減少Al2O3顆粒的團聚
。此外鈦酸四丁酯能與蠶絲中的氨基酸形成較強的共價鍵。因此
，通過這種分子鍵設計策略
，Al2O3顆粒與蠶絲之間形成了較強的黏附性
。

 

納米蠶絲的制備與表征


性能測試

研究人員對天然蠶絲和納米蠶絲進行了22 h的連續(xù)輻射冷卻測試

。研究發(fā)現(xiàn)
，由于熱釋放，天然蠶絲的溫度在夜間低于環(huán)境溫度
，但在白天（9:00 ~17:00）其溫度通常高于環(huán)境溫度
。相比之下，納米蠶絲的溫度在白天和晚上都一直低于環(huán)境溫度
，在15:00太陽輻照度超過800 W·m-2時
，納米蠶絲的平均溫度仍比環(huán)境空氣溫度低約3.5 °C。

 

天然蠶絲和納米蠶絲輻射冷卻性能測試

 

研究人員還測試了陽光下蠶絲覆蓋模擬皮膚時的冷卻性能。模擬皮膚由硅橡膠絕緣柔性加熱器組成

。結果顯示
，當用納米蠶絲覆蓋模擬皮膚時
，皮膚的溫度比用天然蠶絲或棉花覆蓋的模擬皮膚溫度分別低約8
、12.5 ℃。以上結果顯示了納米蠶絲具有優(yōu)異的冷卻性能
，這是由于其增強的太陽反射和其固有的熱輻射性能相結合
，后者可以最大限度地減少熱輸入
，而這些性能不受納米處理的影響。

此外

，研究人員對納米蠶絲的穿著舒適性進行了測試。結果顯示
，納米蠶絲的水蒸汽透過率與天然蠶絲和Tyvek（特衛(wèi)強）相似
，略高于棉花；在Al2O3納米顆粒的覆蓋下
，蠶絲的芯吸距離仍為10 mm，可與天然蠶絲媲美
；并通過水洗和日光干燥測試了納米蠶絲織物的耐洗性
。

 

納米蠶絲的熱性能及服用性能測試

 

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-021-00987-0


（來源：紡織導報官微）

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