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北化楊冬芝教授和于中振教授團(tuán)隊(duì) JMCA：環(huán)境自適應(yīng)的輻射冷卻與光熱雙功能微納米PTFE/石墨烯復(fù)合織物
2023-08-24  來(lái)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(shè)計(jì)性和環(huán)境普適性，在能源、環(huán)境與醫(yī)療領(lǐng)域顯示出廣闊的發(fā)展前景。北京化工大學(xué)楊冬芝教授和于中振教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了全天候自適應(yīng)的多功能PTM材料，利用同一織物雙面交替使用實(shí)現(xiàn)不同溫度變換戶外場(chǎng)景下人體熱舒適，即寒冷環(huán)境下光、電響應(yīng)主動(dòng)加熱保暖，炎熱環(huán)境下隔熱或者輻射冷卻。繼在Advanced Functional Materials，2023：2212032上發(fā)表了題為“能量調(diào)節(jié)和能量逆補(bǔ)償”的太陽(yáng)能熱梯度還原氧化石墨烯氣凝膠雙層相變復(fù)合材料用于自適應(yīng)人體熱管理應(yīng)用之后，本團(tuán)隊(duì)近日在《Journal of Materials Chemistry A》期刊發(fā)表名為“Dual-functional reduced graphene oxide decorated nanoporous polytetrafluoroethylene metafabrics for radiative cooling and solar-heating”的論文，通過(guò)簡(jiǎn)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(qiáng)韌的聚二甲基硅氧烷（PDMS）支撐保護(hù)層于一體，制備了一種類三明治結(jié)構(gòu)的NPTFE/RGO/PDMS復(fù)合織物，成功集成了被動(dòng)輻射冷卻、太陽(yáng)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(jié)構(gòu)以及RGO層的高紅外發(fā)射率特性賦予了復(fù)合織物出色的光譜選擇特性。對(duì)于輻射冷卻模式，復(fù)合織物基于米氏散射顯示出高太陽(yáng)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(jīng)由高發(fā)射的RGO層，穿透紅外透明NPTFE向外部環(huán)境輻射耗散，與傳統(tǒng)棉布相比，輻射冷卻降溫效果高3.2 ℃。寒冷環(huán)境下，通過(guò)簡(jiǎn)單地翻轉(zhuǎn)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(nèi)升至22 ℃，比傳統(tǒng)棉布高17.0 ℃，防止人體熱量散失。此外，復(fù)合織物還表現(xiàn)出良好的可穿戴性能如優(yōu)異的透濕性能、極高斷裂伸長(zhǎng)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(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。 


圖1 (a) NPTFE/RGO/PDMS復(fù)合織物輻射冷卻和太陽(yáng)加熱機(jī)理的示意圖 (b)復(fù)合織物制備流程圖 (c)復(fù)合織物數(shù)碼照片復(fù)合織物規(guī)整通孔結(jié)構(gòu)的(d)光學(xué)和(e)掃描電鏡圖像 (f，g)復(fù)合織物的NPTFE層的SEM圖像 


圖2（a）復(fù)合織物的NPTFE層、RGO層和PDMS涂覆的RGO層在AM 1.5 G 太陽(yáng)光譜波段的光吸收率（b）在HBIR波段NPTFE無(wú)紡布的紅外透過(guò)率和復(fù)合織物的紅外發(fā)射率（c）室內(nèi)輻射冷卻測(cè)試示意圖，27 °C環(huán)境下模擬皮膚覆蓋不同織物樣品的（d）實(shí)時(shí)溫度曲線和最終（e）平衡溫度（f)）復(fù)合織物室內(nèi)輻射制冷性能與部分文獻(xiàn)的比較（g-i）復(fù)合織物與對(duì)比樣在真實(shí)人體皮膚表面覆蓋后的輻射冷卻效果圖 


圖3 （a）一太陽(yáng)光功率輻照下復(fù)合織物的在光熱和冷卻過(guò)程中的溫度時(shí)間曲線和相對(duì)應(yīng)的（b）紅外相機(jī)圖像 （c）不同太陽(yáng)光輻照強(qiáng)度下的復(fù)合織物光熱性能（d）0 ℃下的光熱測(cè)試裝置示意圖與（e）復(fù)合織物樣品、NPTFE和棉布的紅外圖像 


圖4 戶外連續(xù)熱管理性能測(cè)試設(shè)備實(shí)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(yáng)光熱（d）的過(guò)程中實(shí)時(shí)溫度曲線圖 


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


  得益于光譜選擇透過(guò)性的NPTFE微納米纖維膜與高發(fā)射和光熱效應(yīng)RGO層的組裝，復(fù)合織物將兩種對(duì)立的功能集成于一體，通過(guò)織物的簡(jiǎn)單反轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)被動(dòng)輻射冷卻、光熱加熱和令人滿意的多場(chǎng)景PTM可穿戴性能，具有良好全天候自適應(yīng)戶外熱管理應(yīng)用潛力。論文第一作者為北京化工大學(xué)博士生羅卓，通訊作者為北京化工大學(xué)楊冬芝教授和于中振教授。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高校基礎(chǔ)研究基金的資助。


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

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