浙理工易玲敏教授团队 CEJ：在多层次结构纤维素基辐射降温新材料的制备领域取得新进展

2024-05-04 来源：高分子科技

被动式日间辐射冷却（PDRC）材料可在强太阳光下实现零能耗的亚环境降温。近年来，研究者们陆续开发了各种高性能辐射降温材料，并期望应用于建筑节能、个人热管理等领域。然而，大多数日间辐射降温材料均由石油基聚合物制成，不利于碳减排。纤维素是一种来源丰富、生物相容性好、可生物降解的天然生物质材料。重要的是，天然纤维素材料存在多层次聚集态结构，其对太阳光波具有强烈的散射作用，从而有利于反射太阳光，而且纤维素大分子链的化学结构使其在大气窗口具有较强的中红外发射率。

基于此，浙江理工大学易玲敏教授团队根据表面微纳结构反射与多孔结构米氏散射相结合的策略设计制备了基于纤维素微粒的多层次聚集态结构涂层，并将其应用到棉织物表面，疏水改性后获得具有自清洁能力的纤维素基辐射降温织物（RCCF）（图1）。得益于天然纤维素的多层次聚集态结构以及微粒堆叠形成的微纳尺度空气孔结构，所得纤维素涂层棉织物的太阳光反射率达90.2%，中红外发射率达98.1%，在晴朗天空下覆盖在模拟皮肤表面，相比于原棉织物可实现6.5℃的降温（图2）。进行真实人体降温测试，RCCF可表现出较好的降温效果（图3）。此外，经过5000次磨损测试与20次标准水洗测试后，制备的RCCF仍保持优良的疏水能力与辐射降温特性（图4）。特别地，该织物在加热条件下，其磨损表面疏水性可恢复，即可在高温天气下实现降温的同时恢复其自身的疏水性能以延长防污效果，这为新型户外个人热管理纺织品的设计与开发提供了新思路。该工作以“Radiative cooling cellulose-based fabric with hierarchical structure for outdoor personal thermal management”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。论文第一作者为博士生钟申洁，通讯作者为易玲敏教授。该研究得到国家自然科学基金、中国博士后基金、浙江理工大学优秀研究生学位论文培育基金项目的资助。

图1. (a) RCCF的制备流程图和 (b) RCCF的PDRC原理示意图；(c) AM1.5太阳辐照光谱和大气透射率；(d) 原棉织物和RCCF的红外光谱和 (e) XPS 谱图.

图2. (a) RCCF的太阳光反射率和 (b) 中红外发射率变化曲线；(c) RCCF 的 PDRC 原理示意图；(d) 室外辐射制冷测试的实际照片；(e) 热测量装置示意图，包括模拟皮肤的加热器、测量模拟皮肤温度的热电偶以及覆盖皮肤的织物样品；(f) 降温测试期间的风速和相对湿度；(g) 实时温度曲线；(h) 原棉覆盖、RCCF 覆盖和裸露模拟皮肤在风力对流条件下保持34.0℃恒温所需的额外冷却功率.

图3. (a) 室外辐射降温测试的照片和 (b) 红外图像；(c) 太阳辐照度，(d) 风速，(e) 相对湿度以及 (f) 在阳光直射下RCCF和原棉覆盖皮肤的实时温度曲线；(g)志愿者在阳光直射下的红外图像.

图4. (a) 磨损实验测试装置图；(b) RCCF 的耐久性能分析；(c) 20次标准洗涤后 RCCF表面的接触角和滑动角变化，(d) 太阳光反射率和 (e) 中红外发射率变化曲线；RCCF和原棉织物的 (f) 透气性，(g) 透湿性，(h) 柔软性和 (i) 应力-应变曲线.

此前，易玲敏教授团队基于纤维素材料，利用课题组独创的高压静电场辅助纤维素大分子自组装策略，设计制备得到原位自组装纤维素纳米纤维复合的多层次结构纤维素气凝胶（HSCA）材料，并应用于PDRC及建筑节能（图5）。结果表明，HSCA的太阳光反射率达92.8%，中红外发射率达98.2%，在795 W·m^-2的太阳照射强度下，可实现低于测试箱内环境温度11.1℃的降温效果，且具有良好的耐候性。潜在冷却节能模拟表明，采用HSCA作为建筑围护材料，可节约52.7%的制冷能耗。值得一提的是，由于具有原位组装的结晶纤维素纳米纤维增强的分层多孔网络微结构，HSCA具有优异的PDRC性能和较高的机械性能，这为解决传统气凝胶材料机械性能与辐射降温性能难以兼得的难题提供了思路，也为新型建筑降温轻质结构材料的制备提供了可能。相关工作以“Hierarchical cellulose aerogel reinforced with in situ-assembled cellulose nanofibers for building cooling”为题发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。该文第一作者为博士生钟申洁，通讯作者为易玲敏教授。该研究得到国家自然科学基金、浙江理工大学优秀研究生学位论文培育基金项目的资助。

图5. 多层次结构纤维素气凝胶（HSCA）的微观结构及应用于建筑节能.

论文全文（DOI）：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151482

https://doi.org/10.1021/acsami.3c06178

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（责任编辑：xu）

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