輻射制冷功能紡織品的研究進展

程喜慧,陳 萌,竇躍杰,李紀偉,2,王 娜,2

(1.青島大學 紡織服裝學院,山東 青島 266071; 2.青島大學 非織造材料與產(chǎn)業(yè)用紡織品創(chuàng)新研究院,山東 青島 266071)

在全球氣候變暖和化石能源危機的背景下,以低能耗的方式為人們的生活環(huán)境降溫是一個巨大的挑戰(zhàn)[1-2]。室外活動是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢杀苊獾囊徊糠?然而室外活動中的一大風險是人體暴露于高溫環(huán)境會導致熱應激[3]。據(jù)報道,熱應激已成為東亞和東南亞發(fā)生自然災害死亡的首要原因[4]。在炎熱、潮濕的條件下頻繁地暴露于高溫環(huán)境中會增加人們遭遇熱應激的風險,也會造成嚴重的公共衛(wèi)生威脅,降低工業(yè)勞動力供給和生產(chǎn)力,加劇能源消耗,從而給整個社會經(jīng)濟和居民健康帶來不利影響[5-6]。輻射制冷是一種在不消耗任何能量的情況下為物體進行降溫的方式,輻射制冷紡織品在建筑、交通和個人熱管理等許多領域都具有潛在的應用,因此成為諸多學者的研究熱點[7-8]。

輻射制冷材料的科學研究可以追溯到20世紀,早期的輻射制冷材料主要是天然材料和合成聚合物。由于這2種材料在太陽光譜中的反射率不夠高,所以只能用于夜間的輻射制冷,而不能用于日間的輻射制冷。用于日間輻射制冷的材料應該具有較高的太陽輻射反射率和大氣窗口發(fā)射率[9-10]。日間輻射制冷作為一種極具廣闊前景的被動冷卻方向,引起了學術界和工業(yè)界的高度關注,越來越多的輻射制冷材料被開發(fā)。

本文綜述了輻射制冷功能紡織品的最新研究進展,簡述輻射制冷的基本原理,介紹輻射制冷紡織品的原材料種類,并針對未來輻射制冷紡織品的挑戰(zhàn)和研究趨勢提出一些觀點。

1 輻射制冷的基本原理

輻射制冷是指地球表面高溫物體向外太空輻射能量以實現(xiàn)自身降溫的一種制冷方法[11]。Stefan-Boltzmann定律指出,輻射制冷是普遍存在的[12]。根據(jù)普朗克定律,地球表面溫度為300 K的陸地輻射集中在2.5～50 μm的波長范圍內(nèi)。如圖1(a)所示[13],宇宙的溫度約為3 K,因此地球表面可利用巨大的溫差通過大氣向宇宙發(fā)射熱紅外輻射而實現(xiàn)制冷。太陽輻射是地球表面物體的主要熱量來源,其大部分集中在0.3～2.5 μm的短波區(qū),且在穿過大氣層時會因為大氣中各種分子和云層的反射、吸收或散射作用而發(fā)生減弱,但仍導致地球表面物體升溫[14]。圖1(b)顯示了輻射制冷材料的理想光譜圖[15],其中大氣在8～13 μm波段是透明的,其透過率光譜如圖中藍色區(qū)域所示,大部分陸地區(qū)域可以通過透明的大氣窗口有效地將熱量輻射到宇宙中,且該透明的大氣窗口允許紅外光通過[16-17]。輻射制冷的基本原理說明決定輻射制冷材料制冷效果的關鍵是材料的輻射特性?；诖?輻射制冷功能紡織品一方面可以通過提高材料的太陽光譜反射率以避免太陽輻射引發(fā)的升溫,另一方面可以提高材料在大氣窗口的發(fā)射率以進行熱量交換,從而提升紡織品的輻射制冷性能。

圖1 輻射制冷的基本原理

2 輻射制冷功能紡織品的研究進展

輻射制冷功能紡織品可根據(jù)原材料性質(zhì)的不同分為有機、無機和有機/無機復合輻射制冷紡織品[18-19]。

2.1 有機輻射制冷紡織品

大多數(shù)有機輻射制冷材料結(jié)構(gòu)簡單,在紅外范圍內(nèi)表現(xiàn)出與大氣窗口相匹配的選擇性吸收[20]。有機輻射制冷材料經(jīng)加工后被賦予獨特的結(jié)構(gòu),所制得的紡織品可表現(xiàn)出優(yōu)異的太陽輻射反射率和紅外發(fā)射率,從而實現(xiàn)高效輻射制冷。

研究表明,具有光散射效應的多孔有機高分子材料可以有效地散射太陽輻射以增加太陽光反射[21]。Peng等[22]通過擠出成型法將納米級孔隙結(jié)構(gòu)引入到聚乙烯(PE)纖維中制備了nanoPE纖維,結(jié)果表明PE纖維中的納米孔可以強烈散射可見光,并有利于中紅外光的有效傳輸,從而賦予了nanoPE纖維輻射制冷性能。此外,該團隊還通過機織法將nanoPE纖維制成了織物,與普通棉織物相比,該nanoPE織物覆蓋的人體皮膚表面溫度降低了2.3 ℃,節(jié)能達到20.0%以上。然而,nanoPE纖維及其織物的抗紫外線性能較差,為解決該問題,Cheng等[23]選擇具有抗紫外線性能的聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP),并采用單一溶劑的水蒸氣誘導相分離技術成功制備了具有納米球結(jié)構(gòu)的分級多孔PVDF-HFP纖維膜。多孔結(jié)構(gòu)使PVDF-HFP纖維表現(xiàn)出93.7%的高太陽反射率和91.9%的紅外發(fā)射率,相比于普通棉織物覆蓋的人體皮膚,PVDF-HFP纖維實現(xiàn)了13.2 ℃的溫降;具有抗紫外線性能的聚合物可賦予纖維一定的抗老化性能,提高其耐用性,為實現(xiàn)輻射制冷紡織品的長期使用提供了巨大的潛力。

總的來看,多孔有機高分子材料制備的輻射制冷紡織品可以有效地改善輻射制冷性能和節(jié)能效果,但仍需進一步改進,以提高材料的實用性,解決在高濕環(huán)境下多孔有機高分子材料可能面臨的吸濕和損壞問題。

2.2 無機輻射制冷紡織品

無機輻射制冷材料大部分是以涂層的形式應用到功能紡織品中,其主要將紅外發(fā)射率與大氣窗口相匹配進而達到織物輻射制冷的效果。無機輻射制冷材料包括金屬類、硅基類、金屬氧化物類等。

鈣(Ca)和鉻(Cr)作為金屬類材料能夠以共摻雜的方式誘導雜質(zhì)能級的產(chǎn)生,并協(xié)同紡織品表面微結(jié)構(gòu)強化光吸收以改善界面的阻抗匹配性,提高平均發(fā)射率。Chen等[24]通過Ca2+和Cr3+的不等價摻雜和熱噴涂方法制備了具有層狀微孔結(jié)構(gòu)的鈮酸釔基陶瓷涂層,發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控聲子無序、微孔取向以及光子多次散射的吸收可使涂層的平均發(fā)射率提高至90.0%以上,達到良好的輻射制冷效果。

二氧化硅(SiO2)作為一種常見的無機硅基材料因具有較高的紅外發(fā)射率(80.0%),可用于輻射制冷材料的制備[25]。Sun等[26]用SiO2-玻璃微球(SiO2-GB)結(jié)合黏合劑噴涂到玻璃片、鋅(Zn)板、鋁(Al)板和混凝土等各種基材上,在基材表面形成了具有超疏水和輻射制冷性能的涂層,SiO2覆蓋在玻璃微球表面,使基材表面的涂層發(fā)生聲子極化共振,進而表現(xiàn)出較高的紅外發(fā)射率;涂層表面大于150°的水接觸角賦予了其一定的自清潔功能,可有效防止涂層表面的灰塵污染,進而保持制冷性能。然而,上述無機輻射制冷材料摻雜的紡織品一般表現(xiàn)出白色的外觀,色彩較為單一。Peng等[27]開發(fā)了一種通用的雙層彩色低發(fā)射率涂料,以形成紅外發(fā)射的底層和紅外透明的彩色頂層組成的雙層涂層,其中底層是基于白色的鋁(Al)制備,彩色頂層是通過調(diào)配普魯士藍(PB)、氧化鐵(Fe2O3)、針鐵礦(α-FeOOH)和氧化鋅(ZnO)的比例來實現(xiàn)。結(jié)果表明,該涂料制備的彩色涂層實現(xiàn)80.0%的紅外發(fā)射率,同時顯示出多彩的視覺效果,且該涂層的平均接觸角為118°,表現(xiàn)的防水性會增強其在潮濕環(huán)境中的穩(wěn)定性。將該雙層涂層材料應用于紡織品設計中不僅可以賦予紡織品輻射制冷性能,還可以產(chǎn)生不同顏色飽和度和顏色深淺等效果,可為紡織品設計增添鮮明和新穎的效果,進一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力。

無機材料摻雜和涂層的制備為實現(xiàn)輻射制冷提供了潛在的解決方案,且表現(xiàn)出良好的發(fā)射率和多功能性。進一步的研究可以利用這些技術開發(fā)具有顏色多樣性和高性能的輻射制冷紡織品,以解決傳統(tǒng)無機輻射制冷材料存在的色彩和功能單一的問題,從而滿足不同的應用和市場需求。目前,這些無機輻射制冷涂層大都用于建筑物冷卻,將其用于可穿戴設備有很大的發(fā)展空間,可以進一步提升材料的實用性。

2.3 有機/無機復合輻射制冷紡織品

復合輻射制冷紡織品常采用有機、無機材料復合而成,結(jié)合有機材料較好的服用性能和無機材料優(yōu)良的紅外發(fā)射率,使紡織品與個人濕熱管理聯(lián)系更加緊密,表現(xiàn)出優(yōu)異的輻射制冷效果。復合輻射制冷材料制備紡織品有很多種方法,如冷凍干燥法、相轉(zhuǎn)化法、靜電紡絲法等。

冷凍干燥法是指在低溫降壓條件下的升華過程中使?jié)衲z中的溶劑與凝膠骨架分離,從而得到所需的氣凝膠材料。Cai等[28]將纖維素納米晶體(CNCs)與甲基三甲氧基硅烷(MTMs)在催化劑作用下生成的SiO2相結(jié)合,通過定向冷凍干燥技術制備了一種具有輻射制冷性能的氣凝膠。該氣凝膠表面的微納米結(jié)構(gòu)與內(nèi)部均勻分散的SiO2交聯(lián)形成的化學鍵協(xié)同作用,賦予該氣凝膠97.4%的太陽輻射反射率和93.0%的紅外發(fā)射率,達到高效日間降溫效果。EnergyPlus軟件模擬數(shù)據(jù)顯示,若在全球范圍內(nèi)使用該氣凝膠作為建筑材料可節(jié)省47.0%的冷卻能源,有效降低能源消耗。此外,通過有效的后處理方法也可實現(xiàn)氣凝膠基紡織品的高效熱管理,在一定程度上提高紡織品的穿著舒適度。Zhao等[29]以生物質(zhì)劍麻纖維和紙漿纖維為原料,先通過冷凍干燥法制備氣凝膠,再用離子液體改性石墨烯(IGN)和銀納米線(AgNWs)分別對氣凝膠的兩側(cè)進行旋涂,制備了一種多功能纖維素基不對稱改性氣凝膠。結(jié)果表明,陽光照射30 s后,IGN一側(cè)的溫度比棉織物高14.2 ℃,而AgNWs一側(cè)比純纖維素氣凝膠低3.2 ℃;該氣凝膠還具有不對稱的潤濕性,10.6 s即可實現(xiàn)汗液滲透,進而提高其穿著舒適度,這為實現(xiàn)紡織品的濕熱管理提供了新思路。由冷凍干燥法獲得具有輻射制冷性能的氣凝膠的過程操作較簡單,但所制得氣凝膠一般存在力學性能較差、多孔結(jié)構(gòu)易坍塌等問題,需在后續(xù)研究中進一步完善。

相轉(zhuǎn)化法是將包含聚合物和溶劑的均相溶液涂覆到支撐層上,再通過一定方式的誘導使其發(fā)生相分離而得到所需的紡織品。Shi等[30]通過相轉(zhuǎn)化法制備了具有多層珊瑚狀結(jié)構(gòu)的多孔聚偏氟乙烯(PVDF)纖維膜,并在纖維膜表面涂覆MXene涂層,獲得了具有被動輻射制冷/加熱性能的雙模式多孔復合纖維膜,其中多孔PVDF側(cè)的太陽輻射反射率和中紅外發(fā)射率分別達到96.7%和96.1%,白天可達到低于環(huán)境溫度9.8 ℃的降溫效果,夜間可實現(xiàn)11.7 ℃的溫降;而MXene側(cè)可實現(xiàn)8.1 ℃的被動輻射加熱,為實現(xiàn)全天的制冷和加熱提供了方法。進一步地,研究人員結(jié)合高分子材料和介電粒子的光學優(yōu)勢,制備出光學性能更優(yōu)異的復合材料,以滿足日益增長的輻射制冷要求。Yue等[31]將有機聚合物PVDF-HFP與無機介電顆粒氧化鋁(Al2O3)相結(jié)合,通過相轉(zhuǎn)化法制備了一種具有微/納米結(jié)構(gòu)和可調(diào)光譜特性的分層多孔復合纖維膜。該復合纖維膜表現(xiàn)出優(yōu)異的太陽輻射反射率(98.3%)和紅外發(fā)射率(97.6%),在太陽光照射下可實現(xiàn)9.1 ℃的溫降;Al2O3的引入賦予了該復合纖維膜優(yōu)異的疏水性能,有利于實際應用。相轉(zhuǎn)化法可直接通過調(diào)整工藝條件來控制纖維膜的微觀結(jié)構(gòu),但是影響纖維膜最終結(jié)構(gòu)的參數(shù)復雜且多樣,有待進一步深入研究。

靜電紡絲法操作簡單,材料來源廣泛[32-33],可在纖維中摻雜功能性材料以提高纖維膜的輻射制冷性能。Fan等[34]通過靜電紡苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯(SEBS)非織造布和靜電噴涂PVDF-HFP/SiO2,構(gòu)筑了一種具有輻射制冷特性的復合纖維膜。PVDF-HFP的分子共振和SiO2納米顆粒的聲子極化共振作用使得該復合纖維膜表現(xiàn)出95.0%的大氣窗口發(fā)射率,且在陽光直射的條件下溫度可降低9.5 ℃。以上摻雜無機納米顆粒是提升性能較為常用的方法,可在此基礎上對靜電紡纖維膜進一步后處理以提升輻射制冷功能紡織品的實用效果。Fan等[35]將靜電紡絲法與偶聯(lián)劑輔助浸涂方法相結(jié)合,以疏水性的SEBS非織造布為內(nèi)層,以親水性的SEBS/聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PPO-PEO-PPO)(F127)/Al2O3復合材料為外層,制備了具有Janus潤濕性和熱傳導性的制冷織物,表現(xiàn)出92.0%的太陽輻射反射率和97.0%的大氣窗口發(fā)射率,且在晴天和陰天均能達到優(yōu)異的溫降。這種結(jié)合靜電紡非織造布優(yōu)越的彈性、透氣透濕性和可穿戴性的輻射制冷織物,可以解決人體在高溫環(huán)境下的熱濕舒適問題。目前,靜電紡絲法制備的輻射制冷紡織品主要是以有機高分子為主要基材,存在熱穩(wěn)定性較差、耐久性較低等問題,且該方法相較于其他2種方法雖然更簡單易行,存在工藝控制難度較高和產(chǎn)量有限等問題。

復合輻射制冷紡織品綜合了有機和無機2種材料的優(yōu)勢,且使用不同工藝制備出的紡織品也有不同的優(yōu)勢。然而,輻射制冷材料所需要的高太陽光反射率很容易受到環(huán)境老化、紫外線照射的影響,導致最終實際應用性能的降低,這些都需在后續(xù)工作中進一步研究。

3 輻射制冷功能紡織品的應用

輻射制冷功能紡織品在個人熱管理和節(jié)能建筑物領域的應用有著很大的發(fā)展?jié)摿36-38]。紡織品作為保護人體免受外界環(huán)境侵害的主要屏障,在陽光直射下對人體與環(huán)境的熱交換起著重要作用。輻射制冷在個人熱管理方面主要是基于不同的原材料、制備方法和調(diào)節(jié)機制,并通過調(diào)節(jié)人體熱傳導、熱對流、熱輻射和汗液蒸發(fā)的4種散熱途徑來增強散熱,以達到個人熱舒適的效果。目前,紡織品主要以薄膜的形式用于個人熱管理,但是存在原材料成本高、耐磨性差、吸濕能力差的問題,需進一步研究進行改善。輻射制冷紡織品在建筑物的節(jié)能冷卻方面也有重要的應用,如作為屋頂材料和墻板材料降溫等[39]。研究表明,在高溫天氣下,輻射制冷紡織品可以提供約80%的建筑物冷負荷[40]。輻射制冷功能紡織品在建筑物方面有較好的發(fā)展?jié)摿?但是在施工難易程度、材料價格等方面存在局限性,仍需研究人員進一步探究。

輻射制冷功能紡織品在其他領域也表現(xiàn)出良好的制冷效果,如覆蓋有輻射制冷紡織品的汽車車內(nèi)最高溫度比無覆蓋的汽車低7 ℃,表現(xiàn)出很強的商業(yè)應用潛力[41]。此外,輻射制冷功能紡織品還應用于多種場景的降溫,如溫室大棚、物流運輸、糧倉存儲、各種航天飛行器的構(gòu)建和延緩冰川融化等[42-43]。

4 結(jié)束語

輻射制冷功能紡織品在滿足全球范圍內(nèi)的制冷需求方面具有重要的應用價值。本文簡要介紹了近年來關于輻射制冷功能紡織品的研究進展及應用。研究人員對輻射制冷功能紡織品的研究變得更加重視,但是目前輻射制冷功能紡織品的應用仍面臨許多挑戰(zhàn):①在服用性能方面,部分輻射制冷紡織品的疏水性導致其吸濕排汗能力較差,最終降低紡織品的服用性能。②在環(huán)保方面,目前一些輻射制冷紡織品的制備常采用有機高分子材料作為基材,這些材料的老化會造成紡織品的耐久性降低,性能下降,可能需要更多的能源和工藝控制來處理老化,進而影響后續(xù)回收處理。③在成本方面,目前已報道的輻射制冷功能紡織品基本都需要昂貴的設備制備。

為了應對上述挑戰(zhàn),輻射制冷紡織品的研究和發(fā)展可以從以下方面進行突破:首先,可以基于現(xiàn)有材料進行改性解決服用方面的問題;其次,可以考慮引入環(huán)保型輻射制冷材料,以減少對環(huán)境的污染及后處理問題;最后,可以簡化制備工藝,降低成本?？傮w而言,隨著科學技術的不斷發(fā)展和進步,研究人員將會制造出更符合實際應用的紡織品,使紡織品在功能性、舒適性和節(jié)能等多方面達到平衡,輻射制冷紡織品的研究也會在更加綠色、可持續(xù)化的道路上前進。