我院院長(zhǎng)唐少春團(tuán)隊(duì)在降溫功能集成一體化纖維膜材料研究方面取得新進(jìn)展

【成果簡(jiǎn)介】

最近,，我院院長(zhǎng)唐少春教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)纖維膜固有疏水特性導(dǎo)致出汗時(shí)冷卻效率降低等問(wèn)題，研制出一種將蒸發(fā)降溫和輻射降溫功能集成一體化的纖維膜材料,。提出原位生長(zhǎng)具有高紅外發(fā)射率的無(wú)機(jī)鈣鹽（CaSiO₃,、CaSO₃和CaHPO₄）顆粒的新策略，不僅實(shí)現(xiàn)了輻射降溫性能的增強(qiáng),，而且使纖維膜表面從疏水轉(zhuǎn)變化為親水特性,。這種復(fù)合纖維膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的降溫性能。以CaSiO₃@PMMA為例,，其在濕熱條件下表現(xiàn)出比傳統(tǒng)棉纖維低11.7 °C的降溫效果,。相關(guān)研究成果以題名“Calcium-salt enhanced fiber membrane with high infrared emission and hydrophilicity for efficient passive cooling”近日發(fā)表在國(guó)際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, DOI: 10.1021/acsami.4c00266，碩士研究生鞠燕珊為該論文的第一作者,，我院院長(zhǎng)唐少春教授為該論文通訊作者,。

【背景介紹】

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展和生活水平的不斷提高,，人們對(duì)制冷的需求也隨之劇增。以空調(diào)為代表的主動(dòng)制冷技術(shù),，不僅需要消耗大量能源,，而且制冷劑對(duì)環(huán)境造成二次污染。輻射降溫是一種將熱量通過(guò)大氣窗口（8~13 μm）傳遞到寒冷宇宙中去的一種零能耗,、綠色安全的制冷技術(shù),。輻射降溫材料的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)高效制冷的關(guān)鍵，基于中紅外波段（8~13 μm）材料的發(fā)射性能和太陽(yáng)光波段（0.25~2.5 μm）的反射性能,。主要包括兩種：單一材料具備目標(biāo)波段的反射和發(fā)射性能,，反射層和發(fā)射層的材料疊加。在炎熱天氣或劇烈運(yùn)動(dòng)出汗,，傳統(tǒng)紡織品（比如棉等）,，由于具有保水特性，纖維內(nèi)吸附汗液阻礙了蒸發(fā)散熱,，導(dǎo)致高溫下的濕熱調(diào)節(jié)受阻,。現(xiàn)有的輻射降溫薄膜疏水特性使汗液積聚在皮膚，導(dǎo)致降溫效果降低,。

針對(duì)以上問(wèn)題,，團(tuán)隊(duì)基于靜電紡絲技術(shù)和浸漬涂層工藝制備得到了具有蒸發(fā)冷卻性能和輻射冷卻性能的纖維膜，鈣鹽增強(qiáng)中紅外發(fā)射,、納米纖維網(wǎng)絡(luò)狀孔結(jié)構(gòu)和顆粒導(dǎo)致的高太陽(yáng)光反射率以及改性纖維膜的吸濕特性,，賦予了纖維膜高效被動(dòng)降溫性能，尤其是在炎熱天氣或劇烈運(yùn)動(dòng)出汗的情況下,。因此,，與傳統(tǒng)棉織物、聚合物膜相比,，獲得的HES@PMMA（CaSiO₃@PMMA,、CaSO₃@PMMA和CaHPO₄@PMMA）纖維膜表現(xiàn)出更加優(yōu)異的輻射和蒸發(fā)降溫性能，如圖1a-c所示,。制備流程如圖1d所示,。首先，將PMMA纖維膜浸泡在海藻酸鈉溶液中,，然后分別浸泡在含Ca²⁺和HES陰離子的溶液中,，烘干后得到HES@PMMA纖維膜。

圖1. HES@PMMA纖維膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖,。(a)傳統(tǒng)棉織物,，(b)聚合物纖維膜和(c)HES@PMMA纖維膜的熱管理能力。(d) HES@PMMA纖維膜的制備過(guò)程,。

圖2. HES@PMMA的光學(xué)性能測(cè)試結(jié)果,。(a) HES@PMMA的太陽(yáng)光譜反射率,。插圖顯示HES@PMMA在280 nm到400 nm之間的反射率；(b) HES@PMMA 的透射率,；(c) HES@PMMA的中紅外發(fā)射率,；(d) ATR-FTIR光譜法測(cè)量獲得的 CaSiO₃@PMMA吸收光譜；(e) 根據(jù)T_auc plot方程計(jì)算CaSiO₃@PMMA的E_g,。

如圖2所示,，在8-13 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，CaSiO₃@PMMA,、CaSO₃@PMMA和CaHPO₄@PMMA三種纖維膜的平均紅外發(fā)射率分別為96.7%,、94.7%和95.5%；在0.25~2.5 μm波段范圍內(nèi),，它們的太陽(yáng)光平均反射率分別為94.5%,、95.4%和93.5%。這些數(shù)值都遠(yuǎn)高于PMMA纖維膜的太陽(yáng)光平均反射率（僅87.1%）,。此外,，HES@PMMA纖維膜在280-400 nm范圍內(nèi)表現(xiàn)出針對(duì)紫外線的高反射率。

圖3. (a) HES@PMMA和PMMA測(cè)量的瞬時(shí)水接觸角對(duì)比,。(b) PMMA和(c) CaSiO₃@PMMA的SEM圖,。(d) CaSiO₃@PMMA的TGA和DTG,。(f) 阻燃實(shí)驗(yàn),。

如圖3a所示，PMMA纖維膜表面超疏水,，沉積無(wú)機(jī)鈣鹽（CaSiO₃,、CaSO₃和CaHPO₄）顆粒后，纖維膜表面從疏水轉(zhuǎn)變化為超親水,。SEM圖展示了沉積HES前后（圖3b-c）的微觀結(jié)構(gòu)變化情況,。TGA測(cè)試（圖3d）和DTG分析（圖3e）明確了HES的含量。此外,，CaSiO₃ 顆粒的加入提高了PMMA纖維膜的阻燃性,，如圖3f所示。

圖4. 吸濕,、干燥行為和室內(nèi)汗液蒸發(fā)模擬結(jié)果,。(a) CaSiO₃@PMMA和棉纖維吸水性；(b) 水蒸氣透過(guò)率(WVT),。(c) HES@PMMA,、快干棉和棉纖維在模擬皮膚溫度下的蒸發(fā)量和蒸發(fā)時(shí)間圖；(d) 模擬溫度環(huán)境下的實(shí)時(shí)溫度記錄曲線,。

如圖4a-b所示,，CaSiO₃@PMMA纖維膜具有優(yōu)異的吸濕性和高水蒸氣透過(guò)率,，且吸濕快干性能優(yōu)于快干棉和棉纖維（圖4c）。降溫性能對(duì)比（圖4d）表明,，CaSiO₃@PMMA的輻射降溫效果更好,，且能夠在更低的溫度下實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)散熱，因此具備優(yōu)異的被動(dòng)制冷性能,。

圖5. HES@PMMA的理論分析和戶(hù)外熱管理測(cè)試,。(a) 室外實(shí)驗(yàn)裝置的照片（左側(cè)）和示意圖（右側(cè)）。(b) 太陽(yáng)直射下太陽(yáng)輻照功率密度和溫度記錄,。(c) 記錄的實(shí)時(shí)溫度變化曲線,。(d) 在陽(yáng)光直射和水分蒸發(fā)條件下功率密度和實(shí)時(shí)溫度記錄。計(jì)算得出CaSiO₃@PMMA纖維膜在白天（e）和夜間（f）的凈制冷功率,。

圖5為戶(hù)外熱管理性能測(cè)試結(jié)果及對(duì)比,。與棉纖維相比，在11:00到12:45的時(shí)間段,，CaSiO₃@PMMA纖維膜的表面溫度降低了16.8 °C（圖5c）,。濕熱條件下，CaSiO₃@PMMA膜比棉纖維防止過(guò)熱 11.7°C,，且降溫效果（8.9 °C）優(yōu)于棉織物（6.2 °C）,。這些結(jié)果表明，HES@PMMA纖維膜同時(shí)具備了優(yōu)異的輻射降溫性能和濕度管理能力,。

圖6a展示了CaSiO₃@PMMA纖維膜比棉纖維膜,、PMMA纖維膜更有效地加速水分蒸發(fā)，同時(shí)表現(xiàn)出和快干棉布接近的水分轉(zhuǎn)移率,。因此,，CaSiO₃@PMMA膜在高溫高濕環(huán)境卓越的人體熱管理性能，凸顯了其潛在應(yīng)用價(jià)值,。圖6b-d展示了強(qiáng)烈陽(yáng)光下防止冰塊融化方面的功效,，從而減少了傳統(tǒng)制冷所消耗的電能。

圖6. (a)在室外條件下,，HES@PMMA纖維膜覆蓋在濕潤(rùn)皮膚的紅外熱圖像,。(b)太陽(yáng)輻照300W/m²下CaSiO₃@PMMA纖維膜和棉纖維覆蓋冰塊的實(shí)時(shí)溫度跟蹤，(c) 冰塊的質(zhì)量減小趨勢(shì),。(d) 覆蓋CaSiO₃@PMMA纖維膜的冰塊紅外熱圖像,。

【總結(jié)】

總之，HES顆粒的加入同時(shí)提高了PMMA纖維膜的太陽(yáng)光反射率（尤其是紫外線區(qū)域）和中紅外發(fā)射率,，且擁有優(yōu)異的吸水性,、蒸發(fā)性和透濕性。在干燥條件下，CaSiO₃@PMMA纖維膜比棉纖維膜防止過(guò)熱16.8 °C,；在濕熱條件下,，CaSiO₃@PMMA膜比棉纖維膜防止過(guò)熱 11.7°C，且制冷降溫效果（8.9 °C）優(yōu)于棉纖維膜（6.2 °C）,。在戶(hù)外實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)中,，CaSiO₃@PMMA纖維膜能夠有效減緩冰塊的融化，從而減少了傳統(tǒng)制冷所消耗的電能,。該研究工作為可持續(xù),、便攜式被動(dòng)輻射降溫薄膜材料的多樣化設(shè)計(jì)與制備技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了新的途徑。

該研究工作是唐少春教授團(tuán)隊(duì)在輻射降溫薄膜材料領(lǐng)域取得的又一個(gè)新進(jìn)展,。固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、南京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省功能材料設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、海安南京大學(xué)高新技術(shù)研究院為該項(xiàng)工作的順利開(kāi)展提供了重要支持,。

論文信息：

Yanshan Ju, Peng Yang, Jiajun He, Shaochun Tang*. Calcium-salt enhanced fiber membrane with high infrared emission and hydrophilicity for efficient passive cooling. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, DOI: 10.1021/acsami.4c00266