隨著人類生活水平不斷提高，為滿足人體日常生活舒適性需要，利用空調(diào)等溫控設(shè)備實現(xiàn)涼爽和保暖已成為當(dāng)下能源消耗的主力軍之一。但空調(diào)系統(tǒng)需要消耗大量電力，調(diào)控對象為整個建筑空間而非個人，能源利用效率較低。日間輻射致冷（passive daytime radiative cooling, PDRC）作為一種無耗能的致冷技術(shù)，在改善人體熱舒適和降低能耗方面具有潛在應(yīng)用價值，近年來受到關(guān)注。然而，PDRC材料的實際應(yīng)用還面臨著制備工藝、成本以及滿足人體舒適性的難題。
近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所項目研究員王錦等人開發(fā)了以應(yīng)用于服裝領(lǐng)域的熱塑性聚氨酯為基底，氧化硅氣凝膠顆粒為功能基元的輻射致冷薄膜（AFTPU，圖1）。可通過簡單和可擴(kuò)展的非溶劑相分離策略形成微孔，增強(qiáng)薄膜的透濕率以及光學(xué)散射中心提高太陽光反射率（圖2），同時利用疏水氧化硅功能基元提高PDRC材料的疏水性能，使其免于雨水淋濕、灰塵污染，延長致冷薄膜的使用壽命。在炎熱的夏天，實現(xiàn)了相較于環(huán)境溫度10oC致冷效果。此外，該薄膜可以折疊、卷曲，裁剪成各種形狀，展現(xiàn)出超強(qiáng)的柔性和可裁剪性；薄膜前驅(qū)溶液可像油漆一樣，將氣凝膠/聚氨酯自支撐輻射致冷薄膜涂覆在傳統(tǒng)織物上，實現(xiàn)傳統(tǒng)面料的輻射致冷應(yīng)用。
如圖2所示，該氣凝膠功能化薄膜在可見光波段具有較高反射率為0.89，在中紅外波段的發(fā)射率也高達(dá)0.96。通過自搭建裝置進(jìn)行戶外模擬測試，結(jié)果表明，TPU以及AFTPU-X薄膜覆蓋下的基材溫度均低于環(huán)境溫度，其降溫效果在太陽功率超過800 W/m2的情況下達(dá)到10oC。
如圖3所示，對傳統(tǒng)織物輻射致冷改性后，光學(xué)性能有所改善，反射率從0.63提高至0.84，發(fā)射率由0.86提高至0.97。在一天中最熱時間段的模擬戶外測試中，Nylon/AFTPU-10 所覆蓋的基材溫度比尼龍、棉、滌綸這一系列同色商業(yè)面料至少可低8℃，最高可達(dá)12℃，未來有望用于人體熱管理。
如圖4所示，將AFTPU-10與Nylon/AFTPU-10縫制在志愿者衣服左側(cè)胸前，并用紅外相機(jī)和多通道手持測溫儀記錄全程的溫度變化情況。AFTPU-10的溫度比布的溫度低約11oC，比Nylon/AFTPU-10的溫度低7.5oC。該薄膜在多種復(fù)雜場景中具備潛在的應(yīng)用價值，例如遮陽產(chǎn)品、建筑物降溫等。
研究工作對氣凝膠功能化聚氨酯薄膜的制備和傳統(tǒng)織物的輻射致冷改性，以及炎熱環(huán)境下的人體熱管理策略等具有重要意義。相關(guān)研究成果以Aerogel functionalized thermoplastic polyurethane as waterproof, breathable free-standing films and coatings for passive daytime radiative cooling為題，發(fā)表在Advanced Science上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目以及蘇州市科技局基礎(chǔ)研究試點項目的資助。
