王锦等Adv Sci: 氧化硅气凝胶助力聚氨酯及普通织物10℃无源辐射致冷

yinjian

随着人类生活水平不断提高，为满足人体日常生活的舒适性需要，利用空调等温控设备实现凉爽和保暖已成为当下能源消耗的主力军之一。然而空调系统需要消耗大量电力，调控对象为整个建筑空间而非个人，能源利用效率较低。日间辐射致冷（passive daytime radiative cooling, PDRC）作为一种无耗能的致冷技术，在改善人体热舒适和降低能耗方面具有巨大的潜在应用价值，近年来受到广泛关注。然而，PDRC材料的实际应用还面临着制备工艺、成本以及满足人体舒适性的难题。
　　近日，中科院苏州纳米所王锦等人开发了一种以广泛应用于服装领域的热塑性聚氨酯为基底，氧化硅气凝胶颗粒为功能基元的辐射致冷薄膜（AFTPU，图1）。通过简单和可扩展的非溶剂相分离策略形成微孔，增强薄膜的透湿率以及光学散射中心提高太阳光反射率（图2），同时利用疏水氧化硅功能基元提高PDRC材料的疏水性能，使其免于雨水淋湿、灰尘污染，延长致冷薄膜的使用寿命。在炎热的夏天，实现了相较于环境温度10oC致冷效果。此外该薄膜可以折叠、卷曲，裁剪成各种形状，展现出了超强的柔性和可裁剪性；薄膜前驱溶液可像油漆一样，可将气凝胶/聚氨酯自支撑辐射致冷薄膜涂覆在传统织物上，实现传统面料的辐射致冷应用。

　　　　图1 气凝胶功能化聚氨酯薄膜的制备示意图以及户外环境中人体热量输入和输出途径示意图

　　如图2所示，该气凝胶功能化薄膜在可见光波段具有较高反射率为0.89，在中红外波段的发射率也高达0.96。通过自搭建装置进行户外模拟测试，结果表明，TPU以及AFTPU-X薄膜覆盖下的基材温度均低于环境温度，其降温效果在太阳功率超过800 W/m2的情况下能达到10oC。

　　　　图2 气凝胶功能化聚氨酯薄膜的光学性能和日间辐射致冷性能

　　如图3所示，对传统织物辐射致冷改性后，光学性能有所改善，反射率从0.63提高至0.84，发射率由0.86提高至0.97。在一天中最热时间段的模拟户外测试中，Nylon/AFTPU-10 所覆盖的基材温度比尼龙、棉、涤纶这一系列同色商业面料至少可低8℃，最高可达12℃，未来有希望用于人体热管理。

　　　　图3 辐射致冷改性织物的物理性能和辐射致冷性能

　　如图4所示，将AFTPU-10与Nylon/AFTPU-10缝制在志愿者衣服左侧胸前，并用红外相机和多通道手持测温仪记录全程的温度变化情况。AFTPU-10的温度比布的温度低约11oC，比Nylon/AFTPU-10的温度低7.5oC。综合分析，该薄膜在多种复杂场景中具备潜在的应用价值，例如遮阳产品、建筑物降温等。

　　　　图4 人体户外辐射致冷测试以及致冷机理示意图

　　相关研究工作为气凝胶功能化聚氨酯薄膜的制备和传统织物的辐射致冷改性，以及炎热环境下的人体热管理策略等具有重要意义。该工作以Aerogel functionalized thermoplastic polyurethane as waterproof, breathable free-standing films and coatings for passive daytime radiative cooling为题发表在Advanced Science上。论文第一作者为中科院苏州纳米所轻量化实验室硕士生单夏梦，通讯作者为中科院苏州纳米所轻量化实验室王锦项目研究员。该研究获得了国家自然科学基金重大研究计划项目以及苏州市科技局基础研究试点项目资助。
　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201190

       文章来源：苏州纳米所
       　王锦，项目研究员，硕士生导师，2019年度纳米所优青获得者，2020年度江苏省“双创计划”科技副总。2012年3月于北京理工大学获博士学位；2012年4月-2014年1月分别在日本东京工业大学有机与高分子化学系和山形大学工学部进行博士后研究；2014年2月加入中科院苏州纳米所，任副研究员、项目研究员。长期以来，一直从事高分子化学与物理、超分子化学、气凝胶设计合成与应用研究。在Progress in Polymer Science, ACS Nano, Macromolecules, ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Macro Letters, Journal of Materials Chemistry A, Polymer Chemistry等期刊上发表论文50余篇，引用1000余次，参与著作编写2部，申请发明专利30项，授权11项，技术转让9项，研究成果多次作为期刊封面亮点推介。主持3项国家自然科学基金项目（包括重大研究计划、面上和青年基金各一项）、中科院科技创新重点部署项目、江苏省自然科学基金、苏州市科技局项目，航天科技项目等10余项，并作为研究骨干参与国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中科院专项、苏州市科技局项目等10余项。