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近日，清華大學(xué)張如范副教授和南京大學(xué)朱嘉教授在Nature Sustainability上以“An all-weather radiative human body cooling textile”為題設(shè)計了一種由聚甲醛（POM）構(gòu)成的納米織物，其不僅在大氣環(huán)境（8-13μm）中實現(xiàn)了選擇性發(fā)射，而且還能夠顯示了剩余的中紅外波段的透射和太陽光的反射（0.3-2.5μm）。

因此，由POM紡織品構(gòu)成的衣服在室外（晴天和多云條件下）和室內(nèi)（比典型紡織品低0.5-8.8°C）都能實現(xiàn)高效的輻射人體冷卻。此外，紡織品顯示出良好的耐磨性，在用作防護服時優(yōu)于同類商業(yè)化產(chǎn)品。

因此，POM材料既能提供室內(nèi)冷卻，也能提供室外人體冷卻，并為下一代智能紡織品的合理設(shè)計以及支持可持續(xù)性的其他應(yīng)用引入了新的可能性。

清華大學(xué)張如范/南京大學(xué)朱嘉，今日Nature Sustainability！

研究背景

如今，生活中廣泛使用的主動冷卻系統(tǒng)，如空調(diào)消耗了大量能源，占全球電力消耗的~15%。其中，被動輻射冷卻作為一種新興的冷卻技術(shù)，它通過輻射熱傳遞到溫度較低的周圍環(huán)境，甚至通過大氣環(huán)境（3-8μm）進入寒冷的外層空間（近3 K），輻射冷卻技術(shù)在個人熱管理方面顯示出巨大的潛力，輻射傳熱是人體的主要散熱途徑，占人體總傳熱的40-60%。

近年來，已經(jīng)開發(fā)了各種輻射冷卻紡織材料，用于不同環(huán)境中的人體冷卻，包括室內(nèi)和室外。根據(jù)其冷卻機理，輻射冷卻紡織品可分為兩類，即主要用于室內(nèi)環(huán)境的透射型紡織品和通常在室外使用的發(fā)射型紡織品。

前一類紡織品，如納米多孔聚乙烯（PE）基紡織品，在中紅外（MIR）波段對人體輻射是透明的，人體可以通過這種紡織品直接散熱到周圍環(huán)境中來冷卻。

相比之下，發(fā)射型紡織品通過大氣（8-13μm）將人體熱量釋放到寒冷的外層空間，使用的材料通常是聚合物或聚合物介電復(fù)合材料，包含強烈的分子振動和分層設(shè)計的納米結(jié)構(gòu)。

如果輻射冷卻紡織品如果能夠同時在室外和室內(nèi)環(huán)境中有效冷卻人體，那將是理想的選擇，具有高太陽反射率的透射型紡織品是實現(xiàn)這一目標的最佳理論選擇，但由于厚度限制引起了大量太陽能熱負荷，現(xiàn)有的透射型紡織品在暴露于室外時表現(xiàn)出較差的冷卻性能。

成果簡介

在此，清華大學(xué)張如范副教授和南京大學(xué)朱嘉教授等人展示了一種聚甲醛（POM）納米紡織品設(shè)計，在發(fā)射和傳輸模式之間采用了自適應(yīng)散熱機制，使人體冷卻不受環(huán)境的影響（室內(nèi)和室外）。

至關(guān)重要的是，POM紡織顯示8-13μm波段的選擇性發(fā)射率為75.7%（高選擇性為1.67，即8-13μm的平均發(fā)射率與4-25μm的平均發(fā)射率的比值），在4-25μm波段的透光率為48.5%，在0.3-2.5μm波段的太陽反射率為94.6%。

因此，與典型的透射型、排放型和商用棉紡織品相比，POM紡織品在陽光充足的室外（分別為7.8°C、2.6 °C和8.8 °C）、多云室外（分別為2.9 °C、0.7 °C和3.6 °C）和室內(nèi)環(huán)境（分別為-0.2°C、1.2°C和0.5 °C冷卻）表現(xiàn)出顯著的輻射人體冷卻性能。

此外，POM紡織品還具有良好的透氣性，高拉伸強度和在高濕度條件下的良好性能。現(xiàn)場測試表明，本文的POM紡織品健康危害防護服在陽光明媚的室外（5.4°C冷卻）、多云的室外（1.3°C冷卻）和室內(nèi)環(huán)境（~1.0°C冷卻）中表現(xiàn)出明顯優(yōu)于已商業(yè)化的冷卻性能。

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內(nèi)容詳解

自適應(yīng)發(fā)射-透射模型

本文設(shè)計的材料在不同環(huán)境中高效人體冷卻的機制如圖1a所示，自適應(yīng)紡織品在大氣窗口內(nèi)表現(xiàn)出發(fā)射型特性（8-13 μm），在窗外表現(xiàn)出透射型特性，充分利用大氣窗，使其具有最佳的發(fā)射冷卻效果，同時保留大多數(shù)人體輻射的透射冷卻能力（~61%），其半發(fā)光和透明特性克服了透射型紡織品的厚度限制，有望通過納米結(jié)構(gòu)調(diào)控實現(xiàn)類似于發(fā)射型紡織品的高太陽反射率。

通過求解穩(wěn)態(tài)傳熱模型，對不同類型紡織品（發(fā)射型、透射型和自適應(yīng)型）在室外和室內(nèi)環(huán)境下的冷卻性能進行了數(shù)值比較。結(jié)果表明：在室外環(huán)境中，在強陽光下（800 W m^-2），與透射型（低25.7°C）和發(fā)射型（低4.2°C）的織物相比，自適應(yīng)型紡織品的表皮表面溫度明顯更低（圖1c，d）。

這得益于本文的紡織品設(shè)計具有更高的太陽反射率，與發(fā)射型紡織品相比，非窗口MIR透射具有額外的冷卻效果。對于室內(nèi)環(huán)境，自適應(yīng)型紡織品的表皮溫度（0.8 °C）略高于透射型紡織品，但明顯低于發(fā)射型紡織品（2.5 °C）（圖1c，e），這表明目前的紡織品具有幾乎與透射型紡織品一樣好的冷卻性能，并且遠優(yōu)于發(fā)射型紡織品，這得益于其高MIR透射率（61%）。

圖1.?采用自適應(yīng)輻射冷卻模式的紡織品的設(shè)計與模型計算

材料設(shè)計和表征

有機材料在MIR區(qū)（對應(yīng)于人體主輻射波段）的發(fā)射和傳輸本質(zhì)上取決于它們的分子鍵和官能團，它們在不同的波段范圍內(nèi)具有不同的振動吸收和發(fā)射特性，強分子振動的存在和不存在分別是在相應(yīng)波段實現(xiàn)高發(fā)射和高透射的必要先決條件。

本文選擇的POM（一種廣泛使用的聚合物，其主鏈僅由C-O-C鍵組成）結(jié)合了發(fā)射和傳輸兩種工作模式，F(xiàn)TIR-ATR曲線的特征峰表明，POM的振動吸收和發(fā)射波長主要分布在大氣窗口內(nèi)，表明POM是一種有前途的原料，用于開發(fā)不依賴工作環(huán)境的輻射冷卻紡織品。

除了選擇性的MIR發(fā)射和透射外，白天室外環(huán)境的輻射冷卻材料也需要強的太陽反射率，但商業(yè)化POM產(chǎn)品顯示出低太陽反射率（~49.0%）。

基于上述分析，作者通過靜電紡絲合成了厚度為~260 μm的多級POM納米纖維紡織品（圖2c），POM納米纖維的直徑尺寸分布接近0.3-1.0μm的主太陽波段（圖2e）并遠離MIR波段，這有利于高太陽反射率和低MIR反射率。

這些結(jié)果表明，合成的POM紡織品具有上述自適應(yīng)輻射冷卻模型的特性，有望提供環(huán)境自適應(yīng)的人體冷卻。未來，有望通過低成本的溶液方法制備具有相似光學(xué)性能的POM薄膜，為擴大規(guī)模提供了另一種方便的方法。

圖2.?POM紡織品的設(shè)計、制備及光譜分析

熱測量

作者采用定制測量裝置研究了合成POM紡織品的全天候輻射人體散熱性能（圖3a，b），對裸露皮膚和三種典型紡織品（商業(yè)棉、發(fā)射型聚偏二氟乙烯（PVDF）和透射型納米多孔PE（納米PE）的皮膚進行了比較。

如圖3c所示，所選的PVDF和納米PE紡織品在整個MIR區(qū)域分別實現(xiàn)了高發(fā)射率（90.0%）和透光率（96.9%），而前者也表現(xiàn)出接近POM紡織品的高太陽反射率（95.1%），分別與發(fā)射型和透射型輻射冷卻模型一致。

同時，圖3d-g清楚地表明，在室外環(huán)境中POM紡織品覆蓋的皮膚模擬器的表面溫度是五個樣品中最低的。在強烈陽光直射下的陽光明媚的情況下（>800 W m^-2），從上午10點到下午1點，POM紡織品覆蓋的皮膚模擬器的溫度分別比裸皮膚和商業(yè)棉、納米PE和PVDF覆蓋的皮膚溫度低15.7 °C、8.8 °C、7.8 °C和2.6 °C（圖3d，e）。?

這些結(jié)果表明，POM紡織品對人體表現(xiàn)出最佳的戶外冷卻性能。POM紡織品在室內(nèi)環(huán)境中也表現(xiàn)出良好的冷卻性能，這使得主動冷卻裝置的空氣溫度設(shè)定值更高，以保持人體的熱舒適性，每增加7°C，可以節(jié)省~1%的冷卻能源成本。

圖3.?比較POM紡織品的人體冷卻效果

聚甲醛紡織品的耐磨性

此外，合成的POM紡織品除了具有優(yōu)越的散熱冷卻性能外，還表現(xiàn)出耐磨性所需的許多指標，即良好的透氣性、機械強度、防水性和防潮能力。首先，將POM紡織品夾在水和空氣之間時，連續(xù)的氣泡滲透沒有任何紡織品破損，清楚地表明透氣性好。此外，還測量了水蒸氣透過率（WVTR），歸因于無數(shù)納米孔和微孔通道的存在，水蒸氣滲透類似于商業(yè)棉。

POM紡織品還表現(xiàn)出13.3 MPa的高拉伸強度，與商業(yè)棉（14.7 MPa）相當(dāng)，高機械強度歸因于POM的高結(jié)晶度，具有很高的固有強度（70MPa）。在這些不同的紡織品中，POM紡織品的伸長率最高（~300%），表明其高柔韌性，可舒適地與皮膚互動。還比較了這些樣品的防潮能力，這對于在潮濕環(huán)境中保持紡織品干燥和清潔非常重要。

圖4.?POM紡織品的可穿戴性試驗

綜上，作者通過設(shè)計一種用于環(huán)境自適應(yīng)輻射人體冷卻的混合輻射冷卻模型，制造了在大氣窗口（75~7 μm）中顯示出8.13%的選擇性發(fā)射率，48.5%（4~25 μm）的高人體輻射透射率和94.6%（0.3~2.5 μm）的高太陽反射率的POM紡織品。

與現(xiàn)有的典型輻射冷卻紡織品和商業(yè)化棉紡織品相比，POM紡織品在室外和室內(nèi)環(huán)境（0.5-8.8°C冷卻）下均表現(xiàn)出優(yōu)異的人體冷卻性能。同時，POM紡織品還具有良好的耐磨性，如高透氣性，良好的拉伸強度和高防潮能力。這項工作為室外和室內(nèi)人體冷卻的不兼容設(shè)計提供了解決方案，有助于下一代可持續(xù)的個人熱管理。

Wu, X., Li, J., Jiang, Q.?et al.?An all-weather radiative human body cooling textile.?Nat Sustain?(2023). https://doi.org/10.1038/s41893-023-01200-x

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清華大學(xué)張如范/南京大學(xué)朱嘉，今日Nature Sustainability！

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