深圳大學陳大柱教授團隊AFM：用于自適應個人熱管理的高度集成的輻射冷卻相變纖維膜
輻射冷卻技術通過反射太陽輻射和發射紅外輻射，已成為一種高效、被動的熱調節解決方案。這種雙重功能無需外部能量輸入即可實現冷卻，使其成為緩解全球能源和環境挑戰的一種有前景的方法。輻射冷卻符合綠色和低碳發展原則，為各種應用（包括建筑、紡織品和個人熱管理系統）的溫度控制提供可持續的替代方案。然而，輻射冷卻材料（RCM）的實際部署常常受到環境因素的阻礙，例如熱量積累、對流傳熱和顯著的晝夜溫度變化。這些挑戰會降低 RCM 的冷卻效率，導致特定氣候條件下出現過冷或過熱等潛在問題。人們提出將相變材料 (PCM) 與 RCM 集成作為解決這些限制的有效策略。相變材料具有高潛熱和穩定的相變溫度，使其能夠在相變過程中吸收和釋放熱量。這種固有的能力可以穩定溫度波動，從而提高輻射冷卻系統的整體效率。例如，PCM可以在高溫時吸收多余的熱量，并在溫度下降時釋放熱量，從而減輕環境熱流入的影響，緩解熱不適。此外，具有適合人體熱舒適水平的相變溫度的相變材料在提高輻射冷卻系統在可穿戴和個人熱管理技術中的適用性方面表現出巨大的潛力。人們對 PCM 與輻射冷卻系統的集成進行了廣泛的研究，這些系統涉及一系列應用，，例如太陽能蒸餾器、光伏熱系統、空調裝置和節能型屋頂。這些研究強調了將 PCM 的熱存儲特性與RCM 的光學和熱發射特性相結合的顯著優勢。然而，仍然存在一些挑戰，包括有限的潛熱、對人體舒適度而言次優的相變溫度，以及由于粘度增加和可加工性降低而導致 PCM 集成材料加工困難。
輻射冷卻技術通過反射太陽輻射和發射紅外輻射，已成為一種高效、被動的熱調節解決方案。這種雙重功能無需外部能量輸入即可實現冷卻，使其成為緩解全球能源和環境挑戰的一種有前景的方法。輻射冷卻符合綠色和低碳發展原則，為各種應用（包括建筑、紡織品和個人熱管理系統）的溫度控制提供可持續的替代方案。然而，輻射冷卻材料（RCM）的實際部署常常受到環境因素的阻礙，例如熱量積累、對流傳熱和顯著的晝夜溫度變化。這些挑戰會降低 RCM 的冷卻效率，導致特定氣候條件下出現過冷或過熱等潛在問題。人們提出將相變材料 (PCM) 與 RCM 集成作為解決這些限制的有效策略。相變材料具有高潛熱和穩定的相變溫度，使其能夠在相變過程中吸收和釋放熱量。這種固有的能力可以穩定溫度波動，從而提高輻射冷卻系統的整體效率。例如，PCM可以在高溫時吸收多余的熱量，并在溫度下降時釋放熱量，從而減輕環境熱流入的影響，緩解熱不適。此外，具有適合人體熱舒適水平的相變溫度的相變材料在提高輻射冷卻系統在可穿戴和個人熱管理技術中的適用性方面表現出巨大的潛力。人們對 PCM 與輻射冷卻系統的集成進行了廣泛的研究，這些系統涉及一系列應用，，例如太陽能蒸餾器、光伏熱系統、空調裝置和節能型屋頂。這些研究強調了將 PCM 的熱存儲特性與RCM 的光學和熱發射特性相結合的顯著優勢。然而，仍然存在一些挑戰，包括有限的潛熱、對人體舒適度而言次優的相變溫度，以及由于粘度增加和可加工性降低而導致 PCM 集成材料加工困難。
圖1. 描述 C18@TEOS/PHBV 纖維膜制備步驟的流程圖。
圖2. 纖維膜的表征。a)纖維膜、TEOS 預聚物和正十八烷的 FTIR 光譜。b) PHBV 的 SEM 圖像和纖維直徑分布。c)50wt% TEOS/PHBV 的 SEM 圖像和纖維直徑分布。d）0.3 mL h?1 C18@TEOS/PHBV纖維膜的SEM圖像和纖維直徑分布。e)0.3mL h?1 C18@TEOS/PHBV 纖維膜的 TEM 圖像。
圖3. 纖維膜的熱性能。纖維膜的 a) TGA 和 b) DSC 曲線。c)將我們的工作與報告的相關工作進行比較。d）0.3 mL h?1 C18@TEOS/PHBV 纖維膜超過50個循環的 DSC 循環曲線。連續加熱48小時的 C18@TEOS/PHBV 纖維膜隨時間的 e)質量質量變化和 f)外觀變化。
圖4. a)加熱臺溫升試驗示意圖。b)纖維膜的紅外熱成像。c)溫升曲線。d)氙燈光源照射示意圖。e)纖維膜的升降溫曲線。
圖5. 纖維膜的光學和冷卻性能。a) PHBV、TEOS/PHBV 的太陽輻射光譜（紅色）和中紅外發射光譜（綠色），b) C18@TEOS/PHBV 纖維膜。c)白天輻射冷卻材料的能量流圖。d)室外冷卻溫度測試環境。e)自制對流屏蔽裝置示意圖。f)2024年10月5日上午10:00至下午2:00中國深圳0.3 mL h?1 C18@TEOS/PHBV纖維膜的制冷功率、環境溫度和太陽輻射強度。
圖6. 周圍環境、50 wt% TEOS/PHBV 和0.3mL h?1 C18@TEOS/PHBV 纖維膜在 (a) 夜間、b)黎明和 (c) 白天的溫度曲線。d）纖維膜0.3 mL h?1 C18@TEOS/PHBV與普通商業織物在陽光直射下的紅外熱分析圖和物理圖。(e)醫用防護服和(f)白色日常服裝表面0.3 mL h?1 C18@TEOS/PHBV纖維膜的紅外熱分析圖和實物圖。
圖7. 纖維膜的機械和疏水性能。a)纖維膜的應力-應變曲線。b)纖維膜的平均拉伸強度和斷裂應變。c)纖維膜與水的接觸角。d)0.3mL h?1 C18@TEOS/PHBV 纖維膜的 UPF、透氣度和 WVT。
總結
總之，通過同軸靜電紡絲開發的 C18@TEOS/PHBV 相變纖維膜顯著提高了個人熱調節能力。通過采用正十八烷作為核心相變材料和PHBV/TEOS復合外殼，該膜有效地將相變儲能與被動輻射冷卻結合起來。0.3 mL h?1 C18@TEOS/PHBV 纖維膜表現出卓越的光學性能，在紫外-可見-近紅外光譜 (0.3-2.5 μm) 上的反射率為 95.0%。添加 TEOS 預聚物可將大氣窗口 (8–13 μm) 內的發射率從 79.6% 提高到 88.6%，從而使理論凈輻射冷卻功率在 25 °C 時從 64.7 W m?2 增加到 81.8 W m?2，在 25 °C 時從 84.7 W m?2 增加到 84.7 W m?2，35 °C 時為 104.6 W m?2。在典型太陽輻射（939.5 W m?2）下，該膜的平均冷卻功率為89.0 W m?2，峰值為95.3 W m?2，表面溫度始終低于商業織物，比醫用防護服低4.4°C 。該膜的相變焓為 88.3 J g?1，增強了其溫度調節性能，而黎明時加熱速率的降低則使冷卻速度提高了約 1 °C。在 550.2 W m?2 太陽輻射下，該膜實現了 5.1 °C 的冷卻降低。這項工作通過將相變儲能與被動輻射冷卻無縫集成，引入了一種新穎的個人熱管理方法，為未來提供了一種有前景的紡織品設計策略。
（來源|今日紡絲）
