清华大学张如范/南京大学朱嘉合作Nature Sustainability：穿上这件衣服，凉快一整天！

全天候辐射降温纺织品！

辐射冷却纺织品无需任何能量输入即可散发人体热量，为个人热管理提供可持续的手段。然而，仍然缺乏纺织材料来支持各种室外和室内环境的有效冷却。

基于此，清华大学张如范副教授与南京大学朱嘉教授联合报道了一种聚甲醛（POM）纳米织物设计，它不仅实现了大气窗口（8-13μm）的选择性发射，而且还显示了剩余中红外波段的透射和太阳光（0.3-2.5μm）的反射。因此，POM 纺织品可在室外（晴天和阴天条件下）和室内（比典型纺织品低 0.5–8.8°C）实现高效的人体辐射冷却。此外，该纺织品设计显示出良好的耐磨性，用作防护服时优于商业同类产品。POM材料可提供室内和室外人体冷却，并为下一代智能纺织品和其他支持可持续发展的应用的合理设计引入了新的可能性。相关研究成果以题为“An all-weather radiative human body cooling textile”发表在最新一期《Nature Sustainability》上，本文第一作者为Xueke Wu与Jinlei Li。

【自适应发射-传输模型】

研究人员在不同环境下实现高效人体冷却的设计背后的机制如图1a所示。MIR光谱特性如图1b所示。自适应纺织品在大气窗口（8-13μm）内表现出发射型特征，在窗外表现出透射型特征，在充分利用大气窗口的同时，使其具有最佳的发射冷却效果。

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，在室外强阳光照射环境下（800W·m−2），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（4.2°C低）纺织品（图1c、d）。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）（图1c，e)。

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

【材料设计和表征】

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）。图2a列出了聚合物的常见官能团及其在中红外区域（4-25μm）的波长范围。基于对这些官能团的仔细筛选和分析，POM（一种广泛使用的主链仅由C-O-C键组成的聚合物）被假设为结合了发射和传输两种工作模式。FTIR-ATR曲线的特征峰表明POM的振动吸收和发射的波长主要分布在大气窗口内（图2），这表明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。

基于上述分析，研究人员通过静电纺丝合成了厚度约为 260 μm 的分层 POM 纳米纤维纺织品（图 2c）。合成的 POM 纳米纤维随机堆叠并显示出粗糙的表面（图 2d）。这些POM纳米纤维的直径尺寸分布接近0.3-1.0μm的主要太阳波段（图2e）并远离MIR波段，这有利于高太阳反射率和低MIR反射率。图2f显示，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4–25μm的MIR区域，POM纺织品表现出6.3%的超低反射率（图2f插图），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 2. POM 纺织品的设计、制备和光谱分析

【热测量】

通过使用定制测量设备，研究人员在中国南京炎热夏季（118°57′10”E，32°）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（图3a，b）07′14″N)，包括晴朗的室外、阴天的室外和室内环境。如图3c所示，PVDF和Nano-PE纺织品经过精心设计和选择，分别匹配发射型和透射型辐射冷却模型。图3d-g清楚地表明，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。POM纺织品对人体表现出最佳的户外冷却性能，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。

图 3. POM 纺织品的人体冷却测量，通过与裸露皮肤和覆盖商业棉、透射型 PE 和发射型 PVDF 的皮肤进行比较

【POM纺织品的服用性能】

除了优越的辐射冷却性能外，合成的POM纺织品还表现出耐磨性所需的许多指标，即良好的透气性、机械强度、防水性和防潮能力（图4）。此外，POM纺织品还表现出13.3MPa的高拉伸强度，与商业棉（14.7MPa）相当（图4c）。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（图4d），表明POM纺织品表现出最高的防水和防潮能力。在各种户外环境中，POM 纺织品的辐射冷却性能比商用防护服显着增强（图4g-j）。POM纺织品还表现出更好的室内冷却性能（图4h,k）。因此，POM纺织品在室外和室内环境中都表现出优于商用防护服的冷却性能，并且应该具有很高的商业化潜力。

图 4. POM 纺织品的耐磨性测试

【小结】

本文设计了一种用于环境适应性辐射人体冷却的混合辐射冷却模型，并制造了一种 POM 纺织品，其在大气窗口（8–13μm）内的选择性发射率为 75.7%，人体辐射透射率为 48.5%（4– 25 μm）和高达94.6％的太阳反射率（0.3–2.5 μm）。与现有的典型辐射冷却纺织品和商用棉纺织品相比，POM 纺织品在室外和室内环境（温度降低 0.5–8.8°C）下均表现出优异的人体冷却性能。 POM纺织品还表现出良好的穿着性能，如高透气性、良好的拉伸强度和高抗湿能力。在室外和室内环境中，基于 POM 纺织品的防护服均表现出比商用防护服优越的实际冷却效果（冷却近 1–6°C）。这项工作为室外和室内人体冷却的不兼容设计提供了解决方案，为下一代可持续的个人热管理做出了贡献。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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