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北化楊冬芝教授和于中振教授團隊 JMCA：環境自適應的輻射冷卻與光熱雙功能微納米PTFE/石墨烯復合織物

2023-08-24 來源：高分子科技

人體熱管理（PTM）織物由于其高能量利用率，可設計性和環境普適性，在能源、環境與醫療領域顯示出廣闊的發展前景。北京化工大學楊冬芝教授和于中振教授團隊研發了全天候自適應的多功能PTM材料，利用同一織物雙面交替使用實現不同溫度變換戶外場景下人體熱舒適，即寒冷環境下光、電響應主動加熱保暖，炎熱環境下隔熱或者輻射冷卻。繼在Advanced Functional Materials，2023：2212032上發表了題為“能量調節和能量逆補償”的太陽能熱梯度還原氧化石墨烯氣凝膠雙層相變復合材料用于自適應人體熱管理應用之后，本團隊近日在《Journal of Materials Chemistry A》期刊發表名為“Dual-functional reduced graphene oxide decorated nanoporous polytetrafluoroethylene metafabrics for radiative cooling and solar-heating”的論文，通過簡便的刮涂工藝組裝還原氧化石墨烯層（RGO）和微納米聚四氟乙烯層（NPTFE）與透明強韌的聚二甲基硅氧烷（PDMS）支撐保護層于一體，制備了一種類三明治結構的NPTFE/RGO/PDMS復合織物，成功集成了被動輻射冷卻、太陽能加熱保暖和令人滿意的可穿戴性能。

NPTFE纖維膜的納米孔結構以及RGO層的高紅外發射率特性賦予了復合織物出色的光譜選擇特性。對于輻射冷卻模式，復合織物基于米氏散射顯示出高太陽光譜反射率（R>90%，0.25-2.5 μm）和HBIR范圍的高透明性（T>90%，7-14 μm）。熱量經由高發射的RGO層，穿透紅外透明NPTFE向外部環境輻射耗散，與傳統棉布相比，輻射冷卻降溫效果高3.2 ℃。寒冷環境下，通過簡單地翻轉可以將織物切換至RGO朝外的光熱加熱保暖模式。如0 ℃下，織物的表面溫度可以在2 min內升至22 ℃，比傳統棉布高17.0 ℃，防止人體熱量散失。此外，復合織物還表現出良好的可穿戴性能如優異的透濕性能、極高斷裂伸長率（200%）與良好的柔性、抗污性能和耐洗滌性能以及良好阻燃性，在可穿戴全天候熱管理織物領域展現出巨大潛力。

圖1 (a) NPTFE/RGO/PDMS復合織物輻射冷卻和太陽加熱機理的示意圖 (b)復合織物制備流程圖 (c)復合織物數碼照片復合織物規整通孔結構的(d)光學和(e)掃描電鏡圖像 (f，g)復合織物的NPTFE層的SEM圖像

圖2（a）復合織物的NPTFE層、RGO層和PDMS涂覆的RGO層在AM 1.5 G 太陽光譜波段的光吸收率（b）在HBIR波段NPTFE無紡布的紅外透過率和復合織物的紅外發射率（c）室內輻射冷卻測試示意圖，27 °C環境下模擬皮膚覆蓋不同織物樣品的（d）實時溫度曲線和最終（e）平衡溫度（f)）復合織物室內輻射制冷性能與部分文獻的比較（g-i）復合織物與對比樣在真實人體皮膚表面覆蓋后的輻射冷卻效果圖

圖3 （a）一太陽光功率輻照下復合織物的在光熱和冷卻過程中的溫度時間曲線和相對應的（b）紅外相機圖像（c）不同太陽光輻照強度下的復合織物光熱性能（d）0 ℃下的光熱測試裝置示意圖與（e）復合織物樣品、NPTFE和棉布的紅外圖像

圖4 戶外連續熱管理性能測試設備實物照片（a）與示意圖（b）,覆蓋不同織物后的模擬皮膚在戶外輻射冷卻（c）和太陽光熱（d）的過程中實時溫度曲線圖

圖5（a）水蒸氣透過率（b）空氣透過率（c）和斷裂伸長率（d）復合織物多角度彎曲測試示意圖（e）洗滌循環后的復合織物紅外發射率與光熱升溫性能（f）30度斜面平板上復合織物PDMS面與NPTFE面的防水性能測試（g）棉布與復合織物的阻燃測試

得益于光譜選擇透過性的NPTFE微納米纖維膜與高發射和光熱效應RGO層的組裝，復合織物將兩種對立的功能集成于一體，通過織物的簡單反轉即可實現被動輻射冷卻、光熱加熱和令人滿意的多場景PTM可穿戴性能，具有良好全天候自適應戶外熱管理應用潛力。論文第一作者為北京化工大學博士生羅卓，通訊作者為北京化工大學楊冬芝教授和于中振教授。該工作得到國家自然科學基金和中央高校基礎研究基金的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3TA03683A

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（責任編輯：xu）

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