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  隨著全球變暖的加劇，暴露在室外環(huán)境中的人們的健康受到越來(lái)越多的熱相關(guān)疾病的威脅，這些新出現(xiàn)的問(wèn)題不僅對(duì)人類的生活產(chǎn)生負(fù)面影響，而且占全球電力支出約15%的高冷卻成本也構(gòu)成了經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。輻射冷卻是通過(guò)大氣透明光譜窗口（ATSW，8-13 μm）向寒冷的外太空（溫度為3 K）發(fā)射熱輻射而不消耗能量，是一種很有前途的能源密集型冷卻方法。當(dāng)人們暴露在室外環(huán)境中時(shí)，可以減少高熱應(yīng)力的影響，從而延長(zhǎng)工作時(shí)間，提高工作效率。特別是輻射制冷可以控制人體的小氣候，而不是整個(gè)環(huán)境，從而可持續(xù)有效地促進(jìn)個(gè)人熱舒適且具有零能量投入、低成本和環(huán)境可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)。

  盡管有一些新興的研究成果已經(jīng)產(chǎn)生了各種輻射冷卻設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻性能，例如光子結(jié)構(gòu)、氣凝膠結(jié)構(gòu)（如纖維素氣凝膠、木材氣凝膠等）、隨機(jī)介質(zhì)（如油漆、乳液等）和多孔聚合物結(jié)構(gòu)（如醋酸纖維素、熱塑性聚氨酯、聚乳酸等），雖然冷卻效率很高，但是這些冷卻結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜或昂貴的技術(shù)（如光刻）來(lái)實(shí)現(xiàn)，且不適用于人體可穿戴。因此在實(shí)現(xiàn)低溫冷卻性能的同時(shí)，開(kāi)發(fā)一種價(jià)格低廉、可提供穿戴舒適度的輻射冷卻材料仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

  近日，江南大學(xué)魏取福教授、呂鵬飛研究員提出了一種具有單向?qū)竦姆强椩觳汲椢铮Y(jié)合了輻射冷卻和蒸發(fā)散熱，以實(shí)現(xiàn)高性能的個(gè)人熱、濕管理。這種超織物通過(guò)大規(guī)模靜電紡絲和分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表現(xiàn)出優(yōu)異的光譜選擇性（太陽(yáng)光反射率≈92%，大氣窗口熱發(fā)射率≈97%）和Janus潤(rùn)濕性，并且還具有優(yōu)異的彈性、透氣/透濕性。可實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度約6.5 °C的降溫性能和快速的吸濕排汗作用（水分蒸發(fā)率為0.31 g h^-1，水分傳輸指數(shù)為1220%）。此外，可以通過(guò)施加各種應(yīng)變（0-100%）來(lái)調(diào)節(jié)超織物的冷卻性能。超織物的成本效益和良好的可穿戴性為可持續(xù)能源、智能紡織品和熱濕舒適應(yīng)用提供了一種普適策略。以上研究成果近期以“Dynamically Tunable Subambient Daytime Radiative Cooling Metafabric with Janus Wettability”為題，發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》上。江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院的博士研究生樊崇輝為文章第一作者，江南大學(xué)魏取福教授、呂鵬飛研究員為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金和江南大學(xué)高層次人才引進(jìn)計(jì)劃等項(xiàng)目支持。

【研究亮點(diǎn)】

  1. 與現(xiàn)有廣泛探索的輻射冷卻材料（例如，聚氨酯薄膜，纖維素氣凝膠）不同，仍然需要對(duì)高性能可穿戴材料（特別是吸濕材料）進(jìn)行更深入的研究。我們的系統(tǒng)研究為如何利用卷對(duì)卷靜電紡絲和偶合反應(yīng)技術(shù)開(kāi)發(fā)具有雙梯度Janus結(jié)構(gòu)的分層設(shè)計(jì)超織物提供了前所未有的見(jiàn)解。

  2. 由于SEBS非織造布具有微纖維網(wǎng)狀的孔隙結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的彈性（~1000%）和機(jī)械強(qiáng)度，因此與其他被動(dòng)輻射冷卻材料(如醋酸纖維素、聚乳酸)相比，SEBS非織造布具有更大的可穿戴潛力，而其應(yīng)用的發(fā)展受到其弱輻射冷卻性能的阻礙。首次利用F127和Al₂O₃納米粒子的協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)了SEBS的輻射冷卻性能。

  3. 將生物相容性F127聚合物和高折射率 （n≈1.8）Al₂O₃光散射體集成到SEBS織物上時(shí)，該層級(jí)結(jié)構(gòu)超織物具有很高的光譜選擇性。在晴天（~6.5 ^oC）和陰天（~4.5 ^oC）都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的亞環(huán)境溫度冷卻。F127的加入一方面增強(qiáng)了熱輻射發(fā)射率;另一方面，它在定向輸送汗液中起關(guān)鍵作用。具有高太陽(yáng)反射率的Al₂O₃納米顆粒同時(shí)提供了一個(gè)粗糙的微納米纖維表面，促進(jìn)汗水蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)“一石二鳥(niǎo)”的功能。

  4. 超織物的快速水分蒸發(fā)（0.31 g/h）和高水分輸送指數(shù)（1220%）提供了良好的熱濕舒適性，可以預(yù)防劇烈運(yùn)動(dòng)后的熱相關(guān)疾病。此外，他們發(fā)現(xiàn)超織物在不同應(yīng)變（0% ~ 100%）下具有機(jī)械自適應(yīng)冷卻性能，從而對(duì)穿戴過(guò)程中產(chǎn)生的復(fù)雜變形具有良好的適應(yīng)性。

圖1. 亞環(huán)境日間輻射冷卻超織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 圖2. 超織物的制備、偶合機(jī)理及物理性能

 圖3. 超織物的Janus潤(rùn)濕性和吸濕快干性能

 圖4. 超織物的輻射冷卻潛在機(jī)制和室外亞環(huán)境冷卻性能

 圖5. 機(jī)械自適應(yīng)冷卻性能

圖6. 超織物的熱、蒸發(fā)測(cè)試及其可穿戴性能

  綜上所述，他們報(bào)道了一種分層設(shè)計(jì)的超織物，分別通過(guò)靜電紡絲和偶聯(lián)反應(yīng)對(duì)F127和Al₂O₃進(jìn)行功能化處理，集成了輻射冷卻和單向?qū)裥阅堋＝Y(jié)合靜電紡非織造布優(yōu)越的彈性、透氣性、透濕性和可穿戴性，可以解決人體在高溫、出汗條件下的熱濕舒適問(wèn)題。期望這項(xiàng)研究可以為設(shè)計(jì)應(yīng)用于輻射制冷的下一代可持續(xù)和高性能冷卻材料做出貢獻(xiàn)，并為滿足成本效益和節(jié)能需求鋪平道路。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202300794