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浙理工易玲敏教授團隊 CEJ：在多層次結構纖維素基輻射降溫新材料的制備領域取得新進展

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零能耗的亞環境降溫。近年來，研究者們陸續開發了各種高性能輻射降溫材料，并期望應用于建筑節能、個人熱管理等領域。然而，大多數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材料。重要的是，天然纖維素材料存在多層次聚集態結構，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結構使其在大氣窗口具有較強的中紅外發射率。

基于此，浙江理工大學易玲敏教授團隊根據表面微納結構反射與多孔結構米氏散射相結合的策略設計制備了基于纖維素微粒的多層次聚集態結構涂層，并將其應用到棉織物表面，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結構以及微粒堆疊形成的微納尺度空氣孔結構，所得纖維素涂層棉織物的太陽光反射率達90.2%，中紅外發射率達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6.5℃的降溫（圖2）。進行真實人體降溫測試，RCCF可表現出較好的降溫效果（圖3）。此外，經過5000次磨損測試與20次標準水洗測試后，制備的RCCF仍保持優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，即可在高溫天氣下實現降溫的同時恢復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計與開發提供了新思路。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基金、中國博士后基金、浙江理工大學優秀研究生學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次標準洗滌后 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) 應力-應變曲線.

此前，易玲敏教授團隊基于纖維素材料，利用課題組獨創的高壓靜電場輔助纖維素大分子自組裝策略，設計制備得到原位自組裝纖維素納米纖維復合的多層次結構纖維素氣凝膠（HSCA）材料，并應用于PDRC及建筑節能（圖5）。結果表明，HSCA的太陽光反射率達92.8%，中紅外發射率達98.2%，在795 W·m^-2的太陽照射強度下，可實現低于測試箱內環境溫度11.1℃的降溫效果，且具有良好的耐候性。潛在冷卻節能模擬表明，采用HSCA作為建筑圍護材料，可節約52.7%的制冷能耗。值得一提的是，由于具有原位組裝的結晶纖維素納米纖維增強的分層多孔網絡微結構，HSCA具有優異的PDRC性能和較高的機械性能，這為解決傳統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結構材料的制備提供了可能。相關工作以“Hierarchical cellulose aerogel reinforced with in situ-assembled cellulose nanofibers for building cooling”為題發表于《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基金、浙江理工大學優秀研究生學位論文培育基金項目的資助。

圖5. 多層次結構纖維素氣凝膠（HSCA）的微觀結構及應用于建筑節能.

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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（責任編輯：xu）

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