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浙理工易玲敏教授團隊 CEJ：在多層次結(jié)構(gòu)纖維素基輻射降溫新材料的制備領(lǐng)域取得新進展
2024-05-04  來源：高分子科技

  被動式日間輻射冷卻（PDRC）材料可在強太陽光下實現(xiàn)零能耗的亞環(huán)境降溫。近年來，研究者們陸續(xù)開發(fā)了各種高性能輻射降溫材料，并期望應(yīng)用于建筑節(jié)能、個人熱管理等領(lǐng)域。然而，大多數(shù)日間輻射降溫材料均由石油基聚合物制成，不利于碳減排。纖維素是一種來源豐富、生物相容性好、可生物降解的天然生物質(zhì)材料。重要的是，天然纖維素材料存在多層次聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，其對太陽光波具有強烈的散射作用，從而有利于反射太陽光，而且纖維素大分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其在大氣窗口具有較強的中紅外發(fā)射率。


  基于此，浙江理工大學(xué)易玲敏教授團隊根據(jù)表面微納結(jié)構(gòu)反射與多孔結(jié)構(gòu)米氏散射相結(jié)合的策略設(shè)計制備了基于纖維素微粒的多層次聚集態(tài)結(jié)構(gòu)涂層，并將其應(yīng)用到棉織物表面，疏水改性后獲得具有自清潔能力的纖維素基輻射降溫織物（RCCF）（圖1）。得益于天然纖維素的多層次聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以及微粒堆疊形成的微納尺度空氣孔結(jié)構(gòu)，所得纖維素涂層棉織物的太陽光反射率達90.2%，中紅外發(fā)射率達98.1%，在晴朗天空下覆蓋在模擬皮膚表面，相比于原棉織物可實現(xiàn)6.5℃的降溫（圖2）。進行真實人體降溫測試，RCCF可表現(xiàn)出較好的降溫效果（圖3）。此外，經(jīng)過5000次磨損測試與20次標(biāo)準(zhǔn)水洗測試后，制備的RCCF仍保持優(yōu)良的疏水能力與輻射降溫特性（圖4）。特別地，該織物在加熱條件下，其磨損表面疏水性可恢復(fù)，即可在高溫天氣下實現(xiàn)降溫的同時恢復(fù)其自身的疏水性能以延長防污效果，這為新型戶外個人熱管理紡織品的設(shè)計與開發(fā)提供了新思路。該工作以“Radiative cooling cellulose-based fabric with hierarchical structure for outdoor personal thermal management”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。論文第一作者為博士生鐘申潔，通訊作者為易玲敏教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國博士后基金、浙江理工大學(xué)優(yōu)秀研究生學(xué)位論文培育基金項目的資助。 


圖1. (a) RCCF的制備流程圖和 (b) RCCF的PDRC原理示意圖；(c) AM1.5太陽輻照光譜和大氣透射率；(d) 原棉織物和RCCF的紅外光譜和 (e) XPS 譜圖.
 

圖2. (a) RCCF的太陽光反射率和 (b) 中紅外發(fā)射率變化曲線；(c) RCCF 的 PDRC 原理示意圖；(d) 室外輻射制冷測試的實際照片；(e) 熱測量裝置示意圖，包括模擬皮膚的加熱器、測量模擬皮膚溫度的熱電偶以及覆蓋皮膚的織物樣品；(f) 降溫測試期間的風(fēng)速和相對濕度；(g) 實時溫度曲線；(h) 原棉覆蓋、RCCF 覆蓋和裸露模擬皮膚在風(fēng)力對流條件下保持34.0℃恒溫所需的額外冷卻功率.
 

圖3. (a) 室外輻射降溫測試的照片和 (b) 紅外圖像；(c) 太陽輻照度，(d) 風(fēng)速，(e) 相對濕度以及 (f) 在陽光直射下RCCF和原棉覆蓋皮膚的實時溫度曲線；(g)志愿者在陽光直射下的紅外圖像.
 

圖4. (a) 磨損實驗測試裝置圖；(b) RCCF 的耐久性能分析；(c) 20次標(biāo)準(zhǔn)洗滌后 RCCF表面的接觸角和滑動角變化，(d) 太陽光反射率和 (e) 中紅外發(fā)射率變化曲線；RCCF和原棉織物的 (f) 透氣性，(g) 透濕性，(h) 柔軟性和 (i) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

  此前，易玲敏教授團隊基于纖維素材料，利用課題組獨創(chuàng)的高壓靜電場輔助纖維素大分子自組裝策略，設(shè)計制備得到原位自組裝纖維素納米纖維復(fù)合的多層次結(jié)構(gòu)纖維素氣凝膠（HSCA）材料，并應(yīng)用于PDRC及建筑節(jié)能（圖5）。結(jié)果表明，HSCA的太陽光反射率達92.8%，中紅外發(fā)射率達98.2%，在795 W·m-2的太陽照射強度下，可實現(xiàn)低于測試箱內(nèi)環(huán)境溫度11.1℃的降溫效果，且具有良好的耐候性。潛在冷卻節(jié)能模擬表明，采用HSCA作為建筑圍護材料，可節(jié)約52.7%的制冷能耗。值得一提的是，由于具有原位組裝的結(jié)晶纖維素納米纖維增強的分層多孔網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)，HSCA具有優(yōu)異的PDRC性能和較高的機械性能，這為解決傳統(tǒng)氣凝膠材料機械性能與輻射降溫性能難以兼得的難題提供了思路，也為新型建筑降溫輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的制備提供了可能。相關(guān)工作以“Hierarchical cellulose aerogel reinforced with in situ-assembled cellulose nanofibers for building cooling”為題發(fā)表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。該文第一作者為博士生鐘申潔，通訊作者為易玲敏教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金、浙江理工大學(xué)優(yōu)秀研究生學(xué)位論文培育基金項目的資助。 


圖5. 多層次結(jié)構(gòu)纖維素氣凝膠（HSCA）的微觀結(jié)構(gòu)及應(yīng)用于建筑節(jié)能.


  論文全文（DOI）：

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151482

  https://doi.org/10.1021/acsami.3c06178

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