摘要
采用喷涂方式在纤维素织物(CT)表面负载纳米二氧化硅(SiO2)颗粒,进而制备辐射制冷纤维素织物(SiO2-CT)。纳米SiO2可以提升CT的表面粗糙度,形成大量的光散射中心,进而提升CT的宽波段光管理能力。结果表明,SiO2-CT在0.5~1.1 μm和1.1~2.5 μm波段的反射率分别达91%和73%。在中红外波段的发射率达0.97。SiO2-CT展现出优异的辐射制冷效果,在中午时段可以自发降温~4.5 ℃,在夜间时段可以自发降温~6.5 ℃。
被动辐射制冷技术是一种新型不消耗任何能量的制冷技术,主要依赖于材料的优异光管理能力,包括高的太阳光反射率和中红外光发射
织物又被称为人体的“第二层皮肤”,是人体与外界环境的防护屏
基于上述讨论,本研究选用纳米SiO2负载于纤维素纤维表面,提高材料在Vis-NIR波段的反射率和“大气窗口”的红外发射率,以期达到低于环境温度的辐射制冷效果,并将该纤维构建织物。探究纳米SiO2粒径和含量对纤维素织物(CT)光管理性能的调控机制及其辐射制冷效果。本研究产品具有成本相对低廉、制备较为简便的特点,有广阔的应用和发展前景。
纳米SiO2(纯度99.5%,粒径分别为50 nm和500 nm,上海阿拉丁生化科技股份有限公司),无水乙醇(质量分数99.7%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司),氢氧化钠(NaOH,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);实验室自制再生纤维素纤维,由棉纤维经过溶解再生过程制备纤维素纤维。
利用再生纤维素纤维分别编织支数为40、60和80支,尺寸为8 cm×8 cm的织物(CT),用去离子水洗净后浸渍于质量分数10%的NaOH溶液中润胀12 h,然后用去离子水将CT洗至中性并风干。将纳米SiO2颗粒分散于乙醇溶液中,配置纳米SiO2/乙醇分散液。其中纳米SiO2的质量分数分别为0.1%、0.5%、1%和2%。喷涂于CT表面,然后采用微波加热快速干燥。样品的制备流程如
图1 辐射制冷CT制备流程
Fig. 1 Prepatent process of radiative cooling cellulose textile
采用场发射扫描电子显微镜(FESEM,SU8010,日立高新技术公司)观察样品表面形貌,喷金时间1 min,加速电压20 kV;采用X射线衍射仪(XRD,X'Pert Pro,荷兰Panalytical)测试样品晶体结构,衍射源为Cu,衍射角的范围为5°~90°,扫描步长为0.02°,扫描速度为10 °/min;采用紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR,Lambda 750S,美国Perkin Elmer)测试材料的反射率,测试范围300~2500 nm;采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR,Nicolet IS50,美国Thermo Scientific)测试材料在中红外波段的发射率;采用温度记录仪(OM-CP-OCTPRO,美国Omega)检测材料的实时温度;采用红外热成像仪(868,德国Testo)检测材料表面的温度。
CT由纤维素纤维通过经向和纬向相互交叉和绕结构建而成,纤维的支数影响CT的疏密程度,进而控制CT的形态结构及光学性能。
图2 不同支数CT的光学照片和光学性能
Fig. 2 Optical photographs and optical properties of CT with different counts
纳米SiO2可以呈现不同的粒径特征,其对不同波段的光具有不同的作用能力。
图3 材料在可见光-近红外波段的反射率和发射率
Fig. 3 Reflectrance and emissivity of materials at infrared wavelengths
图4 CT-80和SiO2-CT-80的SEM图
Fig. 4 SEM images of CT-80 and SiO2-CT-80
本研究进一步采用XRD分析SiO2-CT-80的结晶结构,如
图5 样品的XRD谱图
Fig. 5 XRD patterns of samples
纳米SiO2可以提升CT的Vis-NIR波段反射率及中红外波段发射率,强化CT的光管理能力,进而实现CT的辐射制冷作
图6 测温装置及其结构图
Fig. 6 Temperature measuring device and schematic
日间的温度分布如
图7 CT-80和SiO2-CT-80在日间的温度变化曲线和温差
Fig. 7 Temperature curves and temperature difference curve of CT-80 and SiO2-CT-80 in daytime
图8 CT-80和SiO2-CT-80的红外热成像图
Fig. 8 Infrared thermal imaging of CT-80 and SiO2-CT-80
此外,样品的夜间温度分布如
图9 CT-80和SiO2-CT-80在夜间的温度变化曲线和温差
Fig. 9 Temperature curves and temperature difference curve of CT-80 and SiO2-CT-80 in nighttime
本研究将纳米SiO2负载于纤维素织物(CT)表面,可以提高CT在可见光-近红外波段的反射率和在“大气窗口”的红外发射率,进而达到辐射制冷效果。
3.1 SiO2粒径会影响SiO2-CT的光管理能力。50 nm粒径的SiO2可以提高CT在0.5~1.1 μm波段的反射率;500 nm粒径的SiO2可以增强CT在1.1~2.5 μm波段的发射率。通过结合负载50 nm和500 nm的SiO2,SiO2-CT在0.5~1.1 μm和1.1~2.5 μm波段的反射率分别达到91%和73%。此外,SiO2-CT在中红外波段的发射率高达97%。
3.2 SEM结果表明,CT表面光滑,因此其对可见光-中红外光的反射作用较弱。负载纳米SiO2可以提升CT的表面粗糙度,增加光散射中心,强化CT的米氏散射效果,最终实现SiO2-CT的高效反射可见光-中红外光作用。
3.3 SiO2-CT-80具有良好的辐射制冷效果,在日间时段可以低于CT-80温度~4.5 ℃,在夜间时段低于CT-80温度~6.5 ℃。
参考文献
LI Z Z, CHAN Q Y, SONG Y, et al. Fundamentals, materials, and applications for daytime radiative cooling[J]. Advanced Materials Technologies, 2020,5(5):1167-1179. [百度学术]
MANDAL J, FU Y, OVERVIG A C, et al. Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling[J]. Science, 2018, 362(6412): 315-319. [百度学术]
LI W, FAN S. Radiative cooling: Harvesting the coldness of the universe[J]. Optics and Photonics News, 2019, 30: 32-39. [百度学术]
FAN S, RAMAM A. Metamaterials for radiative sky cooling[J]. National Science Review, 2018, 5: 132-133. [百度学术]
ZENG S, PIAN S, SU M, et al. Hierarchical-morphology metal fabric for scalable passive daytime radiative cooling[J]. Science, 2021, 373(6555): 692-696. [百度学术]
曾少宁, 胡佳雨, 张曼妮, 等.面向个人热管理的降温纺织品[J]. 科学通报, 2022, 67: 1167-1179 [百度学术]
ZENG S N, HU J Y, ZHANG M N, et al. Cooling textiles for personal thermal management[J]. Chinese Science Bulletin, 2022, 67: 1167-1179. [百度学术]
方剑, 任松, 张传雄, 等. 智能可穿戴纺织品用电活性纤维材料[J]. 纺织学报, 2021, 42(9): 1-9. [百度学术]
FANG J, REN S, ZHANG C X, et al. Electroactive fibrous materials for intelligent wearable textiles[J]. Journal of Textile Research, 2021, 42(9): 1-9. [百度学术]
WENG W, YANG J, ZHANG Y, et al. A route toward smart system integration: From fiber design to device construction[J]. Advanced Materials, DOI:10.1002/adma.201902301. [百度学术]
YAN W, DONG C, XIANG Y, et al. Thermally drawn advanced functional fibers: New frontier of flexible electronics[J]. Materials Today, 2020, 35: 168-194. [百度学术]
HSU P C, SONG A Y, CATRYSEE P B, et al. Radiative human body cooling by nanoporous polyeth-ylene textile[J]. Science, 2016, 353(6303):1019-1023. [百度学术]
LUCAS R A I, EPSTEIN Y, KJELLSTROM T. Excessive occupational heat exposure: A significant ergonomic challenge and health risk for current and future workers[J]. Extreme Physiology & Medicine, 2014, 3(1): 1-8. [百度学术]
CHAN A P C, YI W. Heat stress and its impacts on occupational health and performance[J]. Indoor and Built Environment, 2016, 25(1): 3-5. [百度学术]
KIM Y, KIM S, LEE W H, et al. Direct transfer of CVD-grown graphene onto eco-friendly cellulose film for highly sensitive gas sensor[J]. Cellulose, 2020, 27(3): 1685-1693. [百度学术]
张渝, 石剑平, 陈昱文, 等.纤维素膜构筑盐差能发电器件及其性能研究 [J].中国造纸, 2022,41(8):17-22. [百度学术]
ZHANG Y, SHI J P, CHEN Y W, et al. Performance Research of Cellulose Membrane for Salinity-gradient Power Generation[J]. China Pulp & Paper, 2022,41(8):17-22. [百度学术]
承斌斌, 陈裙凤, 杨伟凯, 等.金属盐离子对纤维素离子凝胶性能的影响研究[J].中国造纸,2022,41(8):10-16. [百度学术]
CHENG B B, CHEN Q F, YANG W K,et al.Effect of Metal Salt Ions on the Properties of Cellulose Ion Gel[J].China Pulp & Paper,2022,41(8):10-16. [百度学术]
陈裙凤, 刘茜, 杨嘉玮, 等.纤维素/离子液体复合凝胶的制备及性能研究 [J].复合材料学报, 2021, 38(12): 4247-4254. [百度学术]
CHEN Q F, LIU X, YANG J W, et al. Cellulose-base ionic gel with high performance[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2021, 38(12): 4247-4254. [百度学术]
LIU W Y, CHEN Y, TU X, et al. Processing and mechanical properties of starch and PVA composite reinforced by nano-SiO2[C]//Advanced Materials Research. Trans Tech Publications Ltd, 2012: 201-204 [百度学术]
HUANG C, WANG D. Surface modification of nano-SiO2 particles with polycarboxylate ether-based superplasticizer under microwave irradiation[J]. Chemistry Select, 2017, 2(29): 9349-9354. [百度学术]
CHYLEK P, ZHAN J. Interference structure of the Mie extinction cross section[J]. JOSA A, 1989, 6(12): 1846-1851. [百度学术]
TONG J K, HUANG X, BORISKINA S V, et al. Infrared-transparent visible-opaque fabrics for wearable personal thermal management[J]. ACS Photonics, 2015, 2(6): 769-778. [百度学术]
YANG A, CAI L, ZHANG R, et al. Thermal management in nanofiber-based face mask[J]. Nano Letters, 2017, 17(6): 3506-3510. [百度学术]
LI Z, CHEN Q, SONG Y, et al. Fundamentals, materials, and applications for daytime radiative cooling[J]. Advanced Materials Technologies, DOI:10.1002/admt.201901007. [百度学术]
DEEPA B, ABRAHAM E, CORDEIRO N, et al. Utilization of various lignocellulosic biomass for the production of nanocellulose: A comparative study[J]. Cellulose, 2015, 22(2): 1075-1090. [百度学术]
QI H, CAI J, ZHANG L, et al. Properties of films composed of cellulose nanowhiskers and a cellulose matrix regenerated from alkali/urea solution[J]. Biomacromolecules, 2009, 10(6): 1597-1602. [百度学术]
ZHONG S, YI L, ZHANG J, et al. Self-cleaning and spectrally selective coating on cotton fabric for passive daytime radiative cooling[J]. Chemical Engineering Journal, DOI: 10.1016/j.cej.2020.127104. CPP [百度学术]