深圳大学陈大柱教授团队AFM：用于自适应个人热管理的高度集成的辐射冷却相变纤维膜
辐(fu)射(she)(she)(she)冷(leng)却(que)(que)技术通过(guo)反射(she)(she)(she)太阳辐(fu)射(she)(she)(she)和(he)发射(she)(she)(she)红外辐(fu)射(she)(she)(she)，已成(cheng)为(wei)一种(zhong)高效、被(bei)动的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)热(re)(re)(re)(re)(re)调(diao)节解(jie)(jie)决方案。这(zhei)种(zhong)双重(zhong)功能(neng)无需外部(bu)能(neng)量输入(ru)即可实现冷(leng)却(que)(que)，使其成(cheng)为(wei)缓解(jie)(jie)全(quan)球(qiu)能(neng)源和(he)环(huan)境(jing)挑(tiao)战(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一种(zhong)有(you)前景的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法。辐(fu)射(she)(she)(she)冷(leng)却(que)(que)符合(he)绿色和(he)低(di)碳发展原(yuan)则(ze)，为(wei)各种(zhong)应(ying)(ying)用（包括建筑、纺织品和(he)个(ge)人热(re)(re)(re)(re)(re)管理系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)温(wen)度(du)控制提(ti)供可持(chi)续的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)替代(dai)方案。然而(er)，辐(fu)射(she)(she)(she)冷(leng)却(que)(que)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)（RCM）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)实际(ji)部(bu)署常常受到环(huan)境(jing)因素的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)阻(zu)碍，例如热(re)(re)(re)(re)(re)量积累、对流(liu)传热(re)(re)(re)(re)(re)和(he)显着的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)昼(zhou)夜温(wen)度(du)变化。这(zhei)些(xie)(xie)挑(tiao)战(zhan)会(hui)降(jiang)低(di) RCM 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)却(que)(que)效率(lv)(lv)，导(dao)致特定气(qi)候条件下出(chu)(chu)现过(guo)冷(leng)或过(guo)热(re)(re)(re)(re)(re)等(deng)潜在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)问题。人们(men)提(ti)出(chu)(chu)将相(xiang)变材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao) (PCM) 与(yu)(yu) RCM 集成(cheng)作为(wei)解(jie)(jie)决这(zhei)些(xie)(xie)限制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)效策略。相(xiang)变材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)具(ju)有(you)高潜热(re)(re)(re)(re)(re)和(he)稳定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)变温(wen)度(du)，使其能(neng)够在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)相(xiang)变过(guo)程(cheng)中吸收(shou)和(he)释放热(re)(re)(re)(re)(re)量。这(zhei)种(zhong)固(gu)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)力可以稳定温(wen)度(du)波动，从而(er)提(ti)高辐(fu)射(she)(she)(she)冷(leng)却(que)(que)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)整体效率(lv)(lv)。例如，PCM可以在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)高温(wen)时吸收(shou)多余的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)热(re)(re)(re)(re)(re)量，并在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)温(wen)度(du)下降(jiang)时释放热(re)(re)(re)(re)(re)量，从而(er)减(jian)轻环(huan)境(jing)热(re)(re)(re)(re)(re)流(liu)入(ru)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影响，缓解(jie)(jie)热(re)(re)(re)(re)(re)不适。此外，具(ju)有(you)适合(he)人体热(re)(re)(re)(re)(re)舒(shu)(shu)适水(shui)平的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)变温(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)变材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)提(ti)高辐(fu)射(she)(she)(she)冷(leng)却(que)(que)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)可穿戴和(he)个(ge)人热(re)(re)(re)(re)(re)管理技术中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)适用性(xing)(xing)方面表(biao)现出(chu)(chu)巨大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)潜力。人们(men)对 PCM 与(yu)(yu)辐(fu)射(she)(she)(she)冷(leng)却(que)(que)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)集成(cheng)进行了广泛(fan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究，这(zhei)些(xie)(xie)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)涉及一系(xi)(xi)(xi)(xi)列应(ying)(ying)用，，例如太阳能(neng)蒸馏器、光(guang)伏热(re)(re)(re)(re)(re)系(xi)(xi)(xi)(xi)统(tong)、空调(diao)装置和(he)节能(neng)型屋(wu)顶。这(zhei)些(xie)(xie)研究强调(diao)了将 PCM 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)热(re)(re)(re)(re)(re)存储特性(xing)(xing)与(yu)(yu)RCM 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)学(xue)和(he)热(re)(re)(re)(re)(re)发射(she)(she)(she)特性(xing)(xing)相(xiang)结合(he)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)显着优势。然而(er)，仍然存在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)一些(xie)(xie)挑(tiao)战(zhan)，包括有(you)限的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)潜热(re)(re)(re)(re)(re)、对人体舒(shu)(shu)适度(du)而(er)言次优的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)变温(wen)度(du)，以及由于粘度(du)增加(jia)和(he)可加(jia)工性(xing)(xing)降(jiang)低(di)而(er)导(dao)致 PCM 集成(cheng)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)加(jia)工困(kun)难。
辐射(she)冷(leng)(leng)(leng)却(que)(que)技(ji)术(shu)通(tong)过(guo)反(fan)射(she)太阳辐射(she)和(he)发(fa)射(she)红外辐射(she)，已成(cheng)(cheng)(cheng)为(wei)(wei)一种(zhong)高(gao)效(xiao)、被动的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)热(re)(re)(re)调节解(jie)(jie)决方(fang)案。这(zhei)种(zhong)双重功能无需(xu)外部能量(liang)(liang)输入即(ji)可实现(xian)(xian)(xian)冷(leng)(leng)(leng)却(que)(que)，使(shi)其成(cheng)(cheng)(cheng)为(wei)(wei)缓(huan)解(jie)(jie)全球(qiu)能源和(he)环(huan)(huan)境(jing)挑战的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一种(zhong)有(you)前景的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法。辐射(she)冷(leng)(leng)(leng)却(que)(que)符(fu)合(he)绿色和(he)低(di)碳(tan)发(fa)展原(yuan)则，为(wei)(wei)各种(zhong)应用(yong)（包(bao)括建(jian)筑、纺织(zhi)品和(he)个(ge)人热(re)(re)(re)管理系(xi)统(tong)）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)控制提供(gong)可持续的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)替代方(fang)案。然(ran)(ran)而(er)，辐射(she)冷(leng)(leng)(leng)却(que)(que)材料（RCM）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)实际部署(shu)常常受到环(huan)(huan)境(jing)因(yin)素的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)阻碍(ai)，例如(ru)热(re)(re)(re)量(liang)(liang)积累、对流(liu)(liu)传热(re)(re)(re)和(he)显(xian)着(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)昼夜温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)变(bian)(bian)(bian)化。这(zhei)些(xie)挑战会降低(di) RCM 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)(leng)却(que)(que)效(xiao)率，导致特(te)(te)定气候(hou)条件下(xia)出(chu)现(xian)(xian)(xian)过(guo)冷(leng)(leng)(leng)或过(guo)热(re)(re)(re)等潜在(zai)(zai)问题。人们(men)提出(chu)将相(xiang)变(bian)(bian)(bian)材料 (PCM) 与 RCM 集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)作为(wei)(wei)解(jie)(jie)决这(zhei)些(xie)限制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)效(xiao)策略。相(xiang)变(bian)(bian)(bian)材料具有(you)高(gao)潜热(re)(re)(re)和(he)稳定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)变(bian)(bian)(bian)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)，使(shi)其能够在(zai)(zai)相(xiang)变(bian)(bian)(bian)过(guo)程中吸(xi)(xi)收和(he)释放(fang)热(re)(re)(re)量(liang)(liang)。这(zhei)种(zhong)固(gu)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能力可以稳定温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)波(bo)动，从(cong)而(er)提高(gao)辐射(she)冷(leng)(leng)(leng)却(que)(que)系(xi)统(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)整体效(xiao)率。例如(ru)，PCM可以在(zai)(zai)高(gao)温(wen)(wen)时(shi)吸(xi)(xi)收多余的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)热(re)(re)(re)量(liang)(liang)，并在(zai)(zai)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)下(xia)降时(shi)释放(fang)热(re)(re)(re)量(liang)(liang)，从(cong)而(er)减轻环(huan)(huan)境(jing)热(re)(re)(re)流(liu)(liu)入的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影响，缓(huan)解(jie)(jie)热(re)(re)(re)不(bu)适。此外，具有(you)适合(he)人体热(re)(re)(re)舒适水(shui)平的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)变(bian)(bian)(bian)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)变(bian)(bian)(bian)材料在(zai)(zai)提高(gao)辐射(she)冷(leng)(leng)(leng)却(que)(que)系(xi)统(tong)在(zai)(zai)可穿戴和(he)个(ge)人热(re)(re)(re)管理技(ji)术(shu)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)适用(yong)性方(fang)面表(biao)现(xian)(xian)(xian)出(chu)巨大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)潜力。人们(men)对 PCM 与辐射(she)冷(leng)(leng)(leng)却(que)(que)系(xi)统(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)进行了广泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究，这(zhei)些(xie)系(xi)统(tong)涉及(ji)一系(xi)列应用(yong)，，例如(ru)太阳能蒸馏器、光伏(fu)热(re)(re)(re)系(xi)统(tong)、空调装(zhuang)置(zhi)和(he)节能型屋顶。这(zhei)些(xie)研(yan)究强调了将 PCM 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)热(re)(re)(re)存储特(te)(te)性与RCM 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光学和(he)热(re)(re)(re)发(fa)射(she)特(te)(te)性相(xiang)结(jie)合(he)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)显(xian)着(zhe)优势。然(ran)(ran)而(er)，仍然(ran)(ran)存在(zai)(zai)一些(xie)挑战，包(bao)括有(you)限的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)潜热(re)(re)(re)、对人体舒适度(du)(du)(du)(du)而(er)言(yan)次优的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)变(bian)(bian)(bian)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)，以及(ji)由于粘度(du)(du)(du)(du)增加和(he)可加工性降低(di)而(er)导致 PCM 集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)材料加工困难(nan)。
图(tu)1. 描(miao)述 C18@TEOS/PHBV 纤维膜制(zhi)备步骤的流程图(tu)。
图(tu)(tu)2. 纤(xian)(xian)(xian)维膜的表征。a)纤(xian)(xian)(xian)维膜、TEOS 预聚物和(he)正十八(ba)烷的 FTIR 光谱。b) PHBV 的 SEM 图(tu)(tu)像(xiang)和(he)纤(xian)(xian)(xian)维直径(jing)分(fen)(fen)布(bu)。c)50wt% TEOS/PHBV 的 SEM 图(tu)(tu)像(xiang)和(he)纤(xian)(xian)(xian)维直径(jing)分(fen)(fen)布(bu)。d）0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV纤(xian)(xian)(xian)维膜的SEM图(tu)(tu)像(xiang)和(he)纤(xian)(xian)(xian)维直径(jing)分(fen)(fen)布(bu)。e)0.3mL h−1 C18@TEOS/PHBV 纤(xian)(xian)(xian)维膜的 TEM 图(tu)(tu)像(xiang)。
图(tu)3. 纤(xian)维膜(mo)的(de)热性(xing)能。纤(xian)维膜(mo)的(de) a) TGA 和(he) b) DSC 曲(qu)线。c)将我们的(de)工作与报告的(de)相关(guan)工作进行比较。d）0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV 纤(xian)维膜(mo)超过50个循环的(de) DSC 循环曲(qu)线。连续加热48小时的(de) C18@TEOS/PHBV 纤(xian)维膜(mo)随(sui)时间(jian)的(de) e)质量质量变(bian)化和(he) f)外观变(bian)化。
图4. a)加(jia)热(re)(re)台温升试验示(shi)意图。b)纤维(wei)膜的红(hong)外热(re)(re)成像。c)温升曲线。d)氙(xian)灯光源照射(she)示(shi)意图。e)纤维(wei)膜的升降(jiang)温曲线。
图5. 纤(xian)维膜(mo)(mo)的(de)(de)光(guang)学和冷(leng)却(que)性能。a) PHBV、TEOS/PHBV 的(de)(de)太(tai)阳(yang)(yang)辐射(she)光(guang)谱（红色(se)）和中红外发(fa)射(she)光(guang)谱（绿色(se)），b) C18@TEOS/PHBV 纤(xian)维膜(mo)(mo)。c)白天辐射(she)冷(leng)却(que)材料的(de)(de)能量(liang)流(liu)图。d)室外冷(leng)却(que)温度(du)测试环(huan)境。e)自制对流(liu)屏蔽装置示意图。f)2024年10月(yue)5日上(shang)午(wu)10:00至下午(wu)2:00中国(guo)深圳(zhen)0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV纤(xian)维膜(mo)(mo)的(de)(de)制冷(leng)功率、环(huan)境温度(du)和太(tai)阳(yang)(yang)辐射(she)强度(du)。
图6. 周围环境、50 wt% TEOS/PHBV 和0.3mL h−1 C18@TEOS/PHBV 纤维(wei)膜在 (a) 夜间、b)黎(li)明(ming)和 (c) 白天(tian)的温度曲线。d）纤维(wei)膜0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV与普通商(shang)业(ye)织物(wu)在阳光直射(she)下的红(hong)外热分析图和物(wu)理图。(e)医用防护服(fu)和(f)白色日常服(fu)装(zhuang)表面0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV纤维(wei)膜的红(hong)外热分析图和实物(wu)图。
图7. 纤(xian)维(wei)膜(mo)(mo)的(de)(de)机械和(he)疏(shu)水性能。a)纤(xian)维(wei)膜(mo)(mo)的(de)(de)应力-应变曲线。b)纤(xian)维(wei)膜(mo)(mo)的(de)(de)平均拉伸强度(du)和(he)断裂应变。c)纤(xian)维(wei)膜(mo)(mo)与水的(de)(de)接(jie)触角。d)0.3mL h−1 C18@TEOS/PHBV 纤(xian)维(wei)膜(mo)(mo)的(de)(de) UPF、透气度(du)和(he) WVT。
总结
总之，通过同轴静电纺丝开发的 C18@TEOS/PHBV 相变纤维膜显着提高了(le)个人热调节能力(li)。通过采用正十(shi)八(ba)烷作为(wei)核心相(xiang)变材料和PHBV/TEOS复(fu)合外壳，该(gai)膜(mo)(mo)(mo)有(you)效地将相(xiang)变储能(neng)与被动(dong)(dong)辐(fu)射(she)冷(leng)却(que)结合起来。0.3 mL h−1 C18@TEOS/PHBV 纤维膜(mo)(mo)(mo)表现出卓越的(de)(de)光学(xue)性能(neng)，在(zai)(zai)紫外-可见(jian)-近(jin)红外光谱 (0.3-2.5 μm) 上的(de)(de)反射(she)率为(wei) 95.0%。添加 TEOS 预聚物可将大气(qi)窗口 (8–13 μm) 内的(de)(de)发(fa)射(she)率从 79.6% 提(ti)高(gao)到 88.6%，从而使理(li)论净辐(fu)射(she)冷(leng)却(que)功率在(zai)(zai) 25 °C 时从 64.7 W m−2 增(zeng)加到 81.8 W m−2，在(zai)(zai) 25 °C 时从 84.7 W m−2 增(zeng)加到 84.7 W m−2，35 °C 时为(wei) 104.6 W m−2。在(zai)(zai)典型太(tai)阳辐(fu)射(she)（939.5 W m−2）下(xia)，该(gai)膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)平均冷(leng)却(que)功率为(wei)89.0 W m−2，峰值为(wei)95.3 W m−2，表面温度始终低于商业(ye)织(zhi)物，比医用防护服低4.4°C 。该(gai)膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)相(xiang)变焓为(wei) 88.3 J g−1，增(zeng)强了其温度调节性能(neng)，而黎(li)明时加热速率的(de)(de)降(jiang)低则使冷(leng)却(que)速度提(ti)高(gao)了约 1 °C。在(zai)(zai) 550.2 W m−2 太(tai)阳辐(fu)射(she)下(xia)，该(gai)膜(mo)(mo)(mo)实现了 5.1 °C 的(de)(de)冷(leng)却(que)降(jiang)低。这项工作通过将相(xiang)变储能(neng)与被动(dong)(dong)辐(fu)射(she)冷(leng)却(que)无缝集成，引入了一(yi)种新颖(ying)的(de)(de)个人热管理(li)方法(fa)，为(wei)未(wei)来提(ti)供(gong)了一(yi)种有(you)前景的(de)(de)纺织(zhi)品(pin)设(she)计策略。
（来源|今日纺丝）
