北化杨冬芝教授和于中振教授团队 JMCA：环境自适应的辐射冷却与光热双功能微纳米PTFE/石墨烯复合织物

2023-08-24 来源：高分子科技

人体热管理（PTM）织物由于其高能量利用率，可设计性和环境普适性，在能源、环境与医疗领域显示出广阔的发展前景。北京化工大学杨冬芝教授和于中振教授团队研发了全天候自适应的多功能PTM材料，利用同一织物双面交替使用实现不同温度变换户外场景下人体热舒适，即寒冷环境下光、电响应主动加热保暖，炎热环境下隔热或者辐射冷却。继在Advanced Functional Materials，2023：2212032上发表了题为“能量调节和能量逆补偿”的太阳能热梯度还原氧化石墨烯气凝胶双层相变复合材料用于自适应人体热管理应用之后，本团队近日在《Journal of Materials Chemistry A》期刊发表名为“Dual-functional reduced graphene oxide decorated nanoporous polytetrafluoroethylene metafabrics for radiative cooling and solar-heating”的论文，通过简便的刮涂工艺组装还原氧化石墨烯层（RGO）和微纳米聚四氟乙烯层（NPTFE）与透明强韧的聚二甲基硅氧烷（PDMS）支撑保护层于一体，制备了一种类三明治结构的NPTFE/RGO/PDMS复合织物，成功集成了被动辐射冷却、太阳能加热保暖和令人满意的可穿戴性能。

NPTFE纤维膜的纳米孔结构以及RGO层的高红外发射率特性赋予了复合织物出色的光谱选择特性。对于辐射冷却模式，复合织物基于米氏散射显示出高太阳光谱反射率（R>90%，0.25-2.5 μm）和HBIR范围的高透明性（T>90%，7-14 μm）。热量经由高发射的RGO层，穿透红外透明NPTFE向外部环境辐射耗散，与传统棉布相比，辐射冷却降温效果高3.2 ℃。寒冷环境下，通过简单地翻转可以将织物切换至RGO朝外的光热加热保暖模式。如0 ℃下，织物的表面温度可以在2 min内升至22 ℃，比传统棉布高17.0 ℃，防止人体热量散失。此外，复合织物还表现出良好的可穿戴性能如优异的透湿性能、极高断裂伸长率（200%）与良好的柔性、抗污性能和耐洗涤性能以及良好阻燃性，在可穿戴全天候热管理织物领域展现出巨大潜力。

图1 (a) NPTFE/RGO/PDMS复合织物辐射冷却和太阳加热机理的示意图 (b)复合织物制备流程图 (c)复合织物数码照片复合织物规整通孔结构的(d)光学和(e)扫描电镜图像 (f，g)复合织物的NPTFE层的SEM图像

图2（a）复合织物的NPTFE层、RGO层和PDMS涂覆的RGO层在AM 1.5 G 太阳光谱波段的光吸收率（b）在HBIR波段NPTFE无纺布的红外透过率和复合织物的红外发射率（c）室内辐射冷却测试示意图，27 °C环境下模拟皮肤覆盖不同织物样品的（d）实时温度曲线和最终（e）平衡温度（f)）复合织物室内辐射制冷性能与部分文献的比较（g-i）复合织物与对比样在真实人体皮肤表面覆盖后的辐射冷却效果图

图3 （a）一太阳光功率辐照下复合织物的在光热和冷却过程中的温度时间曲线和相对应的（b）红外相机图像（c）不同太阳光辐照强度下的复合织物光热性能（d）0 ℃下的光热测试装置示意图与（e）复合织物样品、NPTFE和棉布的红外图像

图4 户外连续热管理性能测试设备实物照片（a）与示意图（b）,覆盖不同织物后的模拟皮肤在户外辐射冷却（c）和太阳光热（d）的过程中实时温度曲线图

图5（a）水蒸气透过率（b）空气透过率（c）和断裂伸长率（d）复合织物多角度弯曲测试示意图（e）洗涤循环后的复合织物红外发射率与光热升温性能（f）30度斜面平板上复合织物PDMS面与NPTFE面的防水性能测试（g）棉布与复合织物的阻燃测试

得益于光谱选择透过性的NPTFE微纳米纤维膜与高发射和光热效应RGO层的组装，复合织物将两种对立的功能集成于一体，通过织物的简单反转即可实现被动辐射冷却、光热加热和令人满意的多场景PTM可穿戴性能，具有良好全天候自适应户外热管理应用潜力。论文第一作者为北京化工大学博士生罗卓，通讯作者为北京化工大学杨冬芝教授和于中振教授。该工作得到国家自然科学基金和中央高校基础研究基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D3TA03683A

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（责任编辑：xu）

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