輻射制冷紡織材料的研究進(jìn)展

湯豐丞 張 偉 戴家木 高 強(qiáng) 劉 蓉

（南通大學(xué)，江蘇南通， 226019）

隨著全球氣候變暖，異常高溫頻發(fā)，高溫?zé)醾Τ蔀槿藗冊谘谉崽鞖庀逻M(jìn)行各種活動的重大威脅。高溫會影響人的熱舒適性、工作效率和身心健康，極端高溫甚至?xí)?dǎo)致死亡。當(dāng)前建筑空間普遍采用空調(diào)制冷，高溫天氣的增多會加劇能源消耗［1-3］。在我國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求下，必須加快綠色低碳循環(huán)發(fā)展。人體自身是一個紅外發(fā)射體，發(fā)射率可達(dá)0.98，如果紅外輻射制冷織物可以使皮膚表面溫度降低1 ℃～4 ℃，則可節(jié)省能源7%～45%［4］。因此發(fā)展一種環(huán)保、低能源損耗的新型輻射制冷紡織品，使人們在炎熱夏季室內(nèi)外活動工作時有較舒適的身心感受具有重要的價值和實際意義。

近年來，發(fā)展個體冷卻技術(shù)使航天員、礦井工作人員、極端環(huán)境作戰(zhàn)官兵等在惡劣條件下能持續(xù)工作一直是各國研究熱點［5-7］。早期的個人冷卻技術(shù)根據(jù)冷卻方式可以分為3類。一是利用對流和蒸發(fā)冷卻空氣等人體通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)冷服裝［8-10］。如CHINEVERE T D等［11］開發(fā)了一種便攜式、輕型、利用空氣循環(huán)進(jìn)行人體通風(fēng)冷卻的系統(tǒng)，可以穿在防彈衣下面。該系統(tǒng)由帶有不透水的隔離層外層和鼓風(fēng)機(jī)組成，通過鼓風(fēng)機(jī)將循環(huán)空氣帶入密封的外隔離層內(nèi)以確保人體感到?jīng)鏊?。二是利用水、乙二醇等液體的循環(huán)流動來帶走熱量的液體冷卻服裝［12-14］。JENNINGS D C［15］研究了一種利用水作為熱傳輸流體的水冷航天服，KUZNETZ L H［16］研究了一種液體冷卻服裝，對人體熱量進(jìn)行自動控制。三是采用相變蓄冷材料（包括冰、干冰、石蠟、十六烷等）用以冷卻人體的相變服裝［17-19］。WEBSTER J等［20］評價了3種不同相變材料冷卻背心在長跑運動中對人體體溫調(diào)節(jié)和冷卻持續(xù)性的表現(xiàn)。WU M等［21］介紹了一種基于相變材料的建筑工人冷卻服裝，可以有效降低工人的體溫，并延長他們在極端高溫下的工作時間。但這3類冷卻服裝都存在系統(tǒng)復(fù)雜、外形臃腫、成本昂貴、需要電子和織物集成等問題，難以在日常服裝中應(yīng)用。因此輕便、環(huán)保、無能源損耗、可日常穿著的輻射制冷紡織材料成為當(dāng)前研究的熱點。

1 輻射制冷材料的作用原理

輻射制冷作為一種被動、無能耗的新型制冷方式，在最近十多年經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能耗增加的背景下，引起了國內(nèi)外研究者的關(guān)注。日常生活中，人體熱量來源的兩大方式分別為太陽輻照和身體產(chǎn)熱，而人體的散熱主要通過輻射、蒸發(fā)、對流和傳導(dǎo)進(jìn)行。人體正常皮膚溫度約為34 ℃，朝外輻射波長在7 μm～14 μm的中紅外波，峰值在9.5 μm左右，其中輻射散熱占身體總散熱量的50%左右［22］。如果能開發(fā)一種基于光譜選擇透過的輻射被動冷卻材料，可以向外界輻射波長為7 μm～14 μm的人體中紅外波，同時有效地反射波長在400 nm～2 μm的可見光和近紅外輻射，就可以有效實現(xiàn)智能輻射降溫冷卻。這種通過控制人體的輻射散熱過程來對人體熱量進(jìn)行管理的輻射制冷技術(shù)，既可以減少能源消耗，同時又具有智能、性能優(yōu)異等優(yōu)點。

2 輻射制冷紡織材料的研究現(xiàn)狀

從二十世紀(jì)開始就已經(jīng)有許多學(xué)者進(jìn)行輻射制冷技術(shù)的研究，但是一直停留在夜間輻射制冷的階段。最近幾十年，隨著許多日間輻射制冷材料的發(fā)現(xiàn)，人們對輻射制冷的研究推向了一個新的高潮，越來越多的材料應(yīng)用到輻射制冷領(lǐng)域。目前用于輻射制冷的材料主要分為聚合物基材料、無機(jī)材料和聚合物/無機(jī)復(fù)合材料。其中聚合物基材料有聚乙烯（PE）、聚二甲硅氧烷（PDMS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚酯（PET）等；無機(jī)材料有二氧化硅（SiO2）、碳化硅（SiC）、二氧化鈦（TiO2）、氧化鋁（Al2O3）、銀（Ag）等［23］。無論是聚合物基材料還是無機(jī)材料，實現(xiàn)輻射制冷的方式主要都是向外透射紅外、反射太陽輻射以及協(xié)同作用。其中純無機(jī)物的輻射制冷材料不適宜直接作為紡織品使用，主要以涂層形式應(yīng)用。因此，輻射制冷技術(shù)在紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用主要通過聚合物基輻射制冷纖維、聚合物/無機(jī)材料復(fù)合輻射制冷紡織品以及輻射制冷涂層等途徑實現(xiàn)。

2.1 聚合物基輻射制冷纖維

研究表明，人體中紅外波段外的振動吸收通常由各種鍵振動引起，包括—CHO（2 810 cm-1～2 710 cm-1）、C=C（1 880 cm-1～1 785 cm-1）、C=O（1 825 cm-1～1 725 cm-1）、C—S（650 cm-1～600 cm-1）以及S—S（低于500 cm-1）振動。因此在構(gòu)建輻射制冷紡織材料時，應(yīng)排除含有這些化學(xué)鍵的聚合物。如TONG J K等［24］比較了聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等幾種傳統(tǒng)材料的紅外透過率，得出聚乙烯在7 μm～14 μm紅外波段的紅外特征峰少且尖銳，是優(yōu)異的紅外輻射材料，并且通過計算機(jī)仿真模擬將幾種材料模擬成纖維，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以通過將纖維直徑減到盡可能小的方式制備得到紅外透明、可見光不透明的人體冷卻織物。此外，PENG Y C等［25］提出了一種可工業(yè)化生產(chǎn)的連續(xù)納米多孔輻射制冷聚乙烯纖維，纖維中納米級孔結(jié)構(gòu)能夠有效散射太陽光，并且不影響其中紅外透明度。用這種纖維制成的織物可使人體皮膚降溫2.3 ℃，相當(dāng)于節(jié)約室內(nèi)制冷能源20%以上。CAI L L等［26］提出在紡制聚乙烯多孔纖維時，可以摻雜紅外吸收率較低的無機(jī)顆粒來賦予其不同的色彩，通過在紡絲時加入鉛、氧化鐵和硅等無機(jī)顏料來制備藍(lán)色、紅色和黃色的聚乙烯納米孔纖維，并且將這3種顆粒以任意比例混合可得到任意顏色聚乙烯納米孔纖維。將著色后的聚乙烯納米孔纖維制成織物后仍能保持80%的高紅外透明度，輻射制冷的效果好，可降溫1.6 ℃～1.8 ℃，且其耐洗滌穩(wěn)定性良好，這一發(fā)現(xiàn)解決了輻射制冷紡織材料著色的關(guān)鍵問題。此外，CAI L L等［27］還通過在紡絲過程中摻入氧化鋅納米顆粒，制得聚乙烯納米孔纖維，進(jìn)一步提高纖維的輻射制冷效果。測試表明，該纖維制成紡織品后能夠反射90%以上太陽輻射，同時向外輻射人體紅外波，在太陽輻射峰值的情況下，可使模擬皮膚降溫5 ℃～13 ℃。鐘明峰等［28］以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為聚合物基體，以非晶二氧化硅為填料，采用靜電紡絲技術(shù)制得了具有輻射制冷能力的復(fù)合纖維，當(dāng)SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%時，其在太陽能輻射短波段（200 nm～2 500 nm）的反射率和大氣透明窗口的發(fā)射率分別達(dá)到了96.53%和90.30%。總的來看，這種可連續(xù)生產(chǎn)聚合物基輻射制冷纖維的關(guān)鍵在于基材的選用和在纖維上構(gòu)建納米孔結(jié)構(gòu)，但是這種納米孔結(jié)構(gòu)的存在也使得纖維強(qiáng)度下降，直徑較大，該種纖維所制備的織物手感粗糙、穿著體驗感差，距離實際運用還存在較大的距離。

2.2 復(fù)合輻射制冷紡織品

在紡織品領(lǐng)域，為解決輻射制冷技術(shù)與穿戴舒適性之間的兼容和同步問題，以及提升輻射制冷效率，研究者們經(jīng)常采用復(fù)合的方式構(gòu)建輻射制冷紡織品，使制得的輻射制冷紡織材料具有更加優(yōu)異的性能和更廣闊的應(yīng)用前景。如HSU P C等［29］提出納米多孔聚乙烯膜可用于輻射制冷降溫，但是即便聚乙烯膜上存在納米孔結(jié)構(gòu)，依然無法滿足作為織物使用的穿戴舒適性，因此他們通過類似針刺焊點的方式將純棉網(wǎng)格織物以三明治形式復(fù)合在兩層聚乙烯納孔膜中間，經(jīng)復(fù)合針刺加工后的織物在透氣、透濕以及強(qiáng)度等織物可穿戴性能方面表現(xiàn)良好，具有作為輻射制冷紡織品使用的可能性。LI D等［30］通過靜電紡絲方法在織物表面噴射納米聚氧化乙烯（PEO）纖維，制備具有微米/納米不同層級結(jié)構(gòu)的PEO輻射制冷紡織品，在8 μm～13 μm紅外波長范圍內(nèi)的平均選擇性發(fā)射率為78%，在太陽光區(qū)域（0.3 μm～2.5 μm）的反射率高達(dá)96.3%，具備作為輻射制冷紡織品使用的潛力。HSU P C等［31］通過在不同厚度的兩層納米聚乙烯纖維層中嵌入雙層發(fā)射器（碳和銅），制備了一種既可保溫又可制冷的雙模復(fù)合材料，不需要額外能量的輸入，只需通過翻轉(zhuǎn)就可以實現(xiàn)保溫和制冷模式的轉(zhuǎn)換，使人體可以更好地適應(yīng)室外環(huán)境溫度，熱舒適區(qū)擴(kuò)大了6.5 ℃。XIAO R C等［32］提出了一種新型的紅外輻射增強(qiáng)納米纖維膜，將SiO2亞微球配置成溶液，在靜電紡絲過程中將SiO2亞微球噴在纖維膜表面。試驗表明，該復(fù)合纖維膜可使模擬皮膚表面降溫0.4 ℃～1.7 ℃。雖然通過復(fù)合的方式大大提高了紡織品輻射制冷和穿戴舒適之間的兼容性，但是加工工藝流程復(fù)雜，使工業(yè)化制備的難度大大增加。

2.3 輻射制冷涂層

除了通過結(jié)構(gòu)設(shè)計直接制備制冷紡織材料外，還有許多研究者將輻射制冷材料制成涂層，涂覆在紡織品表面以實現(xiàn)輻射制冷功能。如MANDAL J等［33］提出了一種輻射制冷涂層材料，通過簡單、廉價且可擴(kuò)展的相轉(zhuǎn)化方法制備了具有分級多孔結(jié)構(gòu)的聚（偏二氟乙烯-六氟丙烯）涂層，實現(xiàn)了溫度下降3 ℃～6 ℃的效果。ZHAO H X等［34］報道了一種可以在制冷和保暖之間切換的聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層材料，該材料制成的涂層可以切換為透明和多孔不透明兩種狀態(tài)，多孔狀態(tài)下該薄膜可使亞環(huán)境（溫度35 ℃）溫度下降約5 ℃；透明狀態(tài)下，寒冷天氣（溫度約10 ℃）環(huán)境溫度上升約18 ℃，這種冷熱切換涂層材料用在織物上可實現(xiàn)智能調(diào)溫。WEI W等［35］開發(fā)了一種結(jié)合太陽能反射和輻射制冷概念的涂層材料，可以賦予紡織品輻射制冷的能力。將氧化鋁涂覆到醋酸纖維織物上，太陽能反射率從62.6%提升至80.1%。試驗表明，與改性前相比，氧化鋁改性紡織品可以使模擬皮膚溫度降低2.3 ℃～8.0 ℃。在人體試驗中，改性后的T恤可以使人體皮膚降溫0.6 ℃～1.0 ℃，對應(yīng)的紡織品內(nèi)表面溫度降低了1.9 ℃～3.3 ℃。DONG S M等［36］通過乳液聚合的方法用PMMA封裝TiO2制備輻射制冷涂層，PMMA封裝后的TiO2比純TiO2涂層的太陽能反射率提高了7個百分點～10個百分點，其輻射制冷溫差達(dá)到了2.5 ℃～11.2 ℃。輻射制冷涂層可以通過簡單的噴涂方式涂覆在紡織品表面實現(xiàn)輻射制冷，并且部分無機(jī)涂層輻射制冷效果優(yōu)異，但是這種方式制備的輻射制冷紡織品存在可水洗重復(fù)性差，涂層在重復(fù)洗滌過程中破壞或者損失的問題。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

輻射制冷技術(shù)在個體舒適衣物與可穿戴設(shè)備領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。輻射制冷技術(shù)在個體舒適衣物與可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用主要是通過利用納米光子結(jié)構(gòu)（如光子晶體、超材料等）方式，同時增強(qiáng)太陽反射與中紅外熱輻射來實現(xiàn)，迄今為止，主要的應(yīng)用形式為薄膜或涂層，制備的衣物與可穿戴設(shè)備存在可水洗重復(fù)性差、可穿戴性差的問題?？椢锶匀皇菍崿F(xiàn)夏日熱舒適性的首選，近年來不少研究者通過將超材料紡絲的方式制備基于輻射制冷的個人熱管理織物，這種織物通過強(qiáng)烈反射太陽輻射阻擋熱量輸入，同時在中紅外波段強(qiáng)烈輻射熱量以維持日間陽光直射環(huán)境下的有效制冷。雖然現(xiàn)在仍存在織物粗糙、吸濕排汗性能差、難以連續(xù)化生產(chǎn)等問題，但是輻射制冷織物仍然是未來的發(fā)展方向。

輻射制冷技術(shù)在其他領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用?？梢詰?yīng)用在各種航天飛行器領(lǐng)域［37］，通過在人造地球衛(wèi)星、空間站或飛船等航天飛行器的外部構(gòu)建無機(jī)或有機(jī)熱控涂層、石英玻璃二次表面鏡、鍍銀高分子聚合薄膜等方式，實現(xiàn)航天飛行器的輻射制冷。此外，輻射冷卻還可用于多種制冷、降溫場景，如電池降溫、建筑降溫、交通工具降溫或者糧食倉儲降溫等［38］。輻射冷卻還可用于輻射制冷凝露水收集［39］，在我國甘肅、新疆等水資源短缺的地區(qū)，可以通過冷卻露水獲取大氣中的水分，這為解決區(qū)域性水資源短缺問題提供了新的思路。

4 結(jié)語

目前輻射制冷材料的發(fā)展仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。一是輻射制冷的效率依舊受許多條件的制約，如多云等氣候因素會使輻射體吸收更多的大氣窗口以外的輻射，其輻射的能量是有限的，使得輻射制冷的效率不夠理想；二是一些輻射制冷紡織材料存在可穿戴舒適性差、可水洗重復(fù)性差等問題；三是在目前已經(jīng)進(jìn)行的研究中，基本都存在著成本高、工業(yè)化困難，難以連續(xù)化生產(chǎn)等問題。這些因素使得輻射制冷紡織品無法進(jìn)行實際應(yīng)用。

在輻射制冷紡織材料的制備研究中，需要解決輻射制冷技術(shù)與穿戴舒適性之間的兼容和同步問題；通過將兩種或多種材料復(fù)合，在其協(xié)同作用下大幅提升材料的輻射制冷效率；簡化輻射制冷紡織品的制備工藝，降低制備成本?？傊?，輻射制冷紡織品的研究大有可為，隨著技術(shù)的進(jìn)步，輻射制冷紡織品將成為人們?nèi)粘４┲闹髁鳎瑸閼?yīng)對日益頻發(fā)的極端高溫天氣，實現(xiàn)綠色、低碳的生活提供保障。