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辐射制冷纤维素织物的制备及性能研究

  • 汤锋洁 1
  • 孙浩东 1
  • 陈昱文 1
  • 李建国 1
  • 陈礼辉 1,2
1. 福建农林大学材料工程学院,福建福州,350108; 2. 植物纤维功能材料国家林业和草原局重点实验室,福建福州,350108

中图分类号: TS72TS106

最近更新:2024-05-31

DOI:10.11980/j.issn.0254-508X.2023.05.015

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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[

1-2]。通过高效反射太阳光(波长0.3~2.5 μm),可以降低材料对太阳光的吸收,进而避免太阳光对物体的过度加[3]。同时,基于优秀的中红外光发射性能,材料可以把热量以辐射的方式通过大气“透明窗口”(波长8~13 μm)直接发射到超冷外层空间,最终实现材料温度的自发降低,且无需外界能量的消耗。Fan等[4]构建了一种具有银色背衬层的多层电介质结构的材料,其在太阳辐射波段的平均反射率约为97%,同时在大气窗口的平均发射率约为65%,能够在阳光照射强度为900 W/m2的条件下,实现了5 ℃的降温效果。Zeng等[5]将辐射制冷应用于个人热管理,由二氧化钛-聚乳酸(TiO2-PLA)复合织物和单层聚四氟乙烯(PTFE)结合成多层复合纤维。相比于商品棉织物,该纤维制成的织物覆盖于人体皮肤时,能够达到4.8 ℃的降温效果。但以上研究制备的材料存在成本较高、制备过程繁琐及终端产品会影响生态环境等缺点。

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[

6-7]。随着科技的发展和生活水平的进步,人们对织物的功能需求不仅只是蔽体遮羞,而是着眼于其多功能性,如降温[8-10]。当人体长时间暴露于太阳辐射的高温环境下,皮肤极易发生脱水、老化甚至癌变反应,人体也会出现中暑现象,直接影响个人健[11-13]。纤维素纤维是自然界中最为丰富的生物资源之一,具有大量的羟基官能团和碳氧键,使其在“大气窗口”内有较高的发射[14-16]。通过进一步引入纳米材料可以调控纤维素纤维的微纳结构,提升其在可见光-近红外波段的反射率,进而抑制太阳能量的吸收,实现纤维素的宽波段光管理能力。纳米SiO2的成本相对低廉,易大量制[17-18]。依据米氏散射理论,尺寸分布于200~1600 nm的SiO2纳米颗粒可以利用多个Mie共振的集体效应,高效地产生覆盖整个可见光-近红外(Vis-NIR)波段所需的散射[19-21]。纳米SiO2分子中的Si—O键在9.5 μm处呈现显著的吸收峰,即发射中红外[22]。因此,纳米SiO2在中红外波段具有较高的发射率,能够以红外热辐射的方式,通过“大气窗口”将热量散至宇宙空间。

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。

1 实验

1.1 实验试剂及原料

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。

1.2 辐射制冷纤维素织物(SiO2-CT)的制备方法

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所示。

图1  辐射制冷CT制备流程

Fig. 1  Prepatent process of radiative cooling cellulose textile

1.3 测试与表征

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。

2 结果与讨论

2.1 纤维素纤维支数对光学性能的影响

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是利用可纤维素纤维构建成CT的光学照片和光学性能,包括40(CT-40)、60(CT-60)和80(CT-80)支。从图2可以看出,随着支数的提高,CT的致密程度也相应增加,即CT-80>CT-60>CT-40。CT越致密,其对太阳光的反射效果越好,如CT-40的反射率约为58%(图2(a)),CT-60的反射率约为70%(图2(b)),CT-80的反射率可以增加到80%(图2(c))。因此,后续实验皆采用80支的CT-80。在负载纳米SiO2(粒径50 nm及粒径500 nm的质量比1∶1混合)后,CT的反射率可以进一步提高,负载2%纳米SiO2的CT-80在可见光波段的反射率可以突破90%,同时在近红外波段的反射率可达73%。

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

2.2 纳米SiO2粒径对光学性能的影响

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(a)为纳米SiO2的粒径对CT-80光学性能的影响。整体而言,负载纳米SiO2可明显提升CT-80的可见光-近红外波段的反射率。如图3(a)所示,粒径为50 nm的纳米SiO2对可见光(0.5~1.1 μm)具有较好的调控能力,可以明显提升CT-80反射率,增加约5%,其反射率可达91%;负载粒径为500 nm的纳米SiO2能够大幅度提升CT-80在近红外光区域(1.1~2.5 μm)的反射率,提高约15%,其反射率可达73%。因此,本研究采用粒径50 nm和500 nm纳米SiO2的组合模式(质量比为1∶1),构建SiO2-CT,实现其对可见光和近红外光的高效反射能力。此外,CT纤维素分子的C—O—C及纳米SiO2颗粒的Si—O可以通过分子振动作用反射中红外光,进而授予SiO2-CT优秀的发射率。图3(b)显示了CT-80和SiO2-CT-80在红外波段的发射率。如图3(b)所示,SiO2-CT-80在8~13 μm大气窗口的红外发射率高达约97%。

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

2.3 表面形貌和结构分析

图4为样品的微观结构和形貌图。如图4所示,CT-80具有由纤维素纤维规律地缠绕交织构建成较为致密且均匀的纤维形态结构(图4(a))。此外,纤维的直径约10 μm,且其表面较为光滑。结构规整的纤维素纤维对特定波段的光具有较好的发射作用,但是难以实现宽波段的光管理。碱液具有润胀纤维素分子的作用,通过NaOH预处理可以初步实现纤维的分丝帚化,使纤维表面暴露大量的微细纤维,增加其表面粗糙度,为纳米SiO2提供附着位点(图4(b))。将喷涂纳米SiO2的纤维素纤维织物暴露在空气中60天,纳米SiO2未从织物表面脱落,表明制备的SiO2-CT-80具有较好的稳定性。纳米SiO2可以有效且均匀地附着在纤维素纤维表面,从SEM图可以清晰地观察到50 nm和500 nm粒径的纳米SiO2。因此,不同粒径的纳米SiO2可以强化米氏散射效应,增强纤维在可见光-近红外波段的漫反射作用,提升SiO2-CT材料的反射率。

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所示。从图5可以看出,对比标准卡片(#99-0088),纳米SiO2在2θ=20.8°、26.6°和50.1°处存在3个主要的强衍射峰。CT具有典型的纤维素分子结晶结构,其衍射峰分别位于2θ=15.1°、16.5°和22.5°处,分别对应纤维素的101、101¯、002晶[

23-24]。从SiO2-CT-80的XRD谱图可以同时扫描到纳米SiO2和纤维素的衍射锋,表明纳米SiO2成功负载在纤维表面。

图5  样品的XRD谱图

Fig. 5  XRD patterns of samples

2.4 制冷效果

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[

25]。利用实验室装置(如图6所示),聚乙烯泡沫板作为保温层,采用铝胶带封装泡沫板,实现装置的太阳光反射和隔热的作用。将样品置于测温装置内部,PE膜覆于样品上表面。采用温度记录仪测量并记录样品的实时温度,分析SiO2-CT-80的辐射制冷效果。

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(a)所示。从图7(a)可以看出,在10:30~14:30时间段内,即阳光直射条件下,SiO2-CT-80的温度远低于CT-80。在11:00~12:00时间段内,CT-80的温度约为37 ℃,而SiO2-CT-80的温度仅仅为33 ℃。整体而言,SiO2-CT-80的温度比CT-80低~4.5 ℃(图7(b)),因此实现良好的辐射制冷效果。纳米SiO2改性的CT(SiO2-CT-80)在Vis-NIR波段具有较高的反射率,可以高效反射太阳光,降低CT-80对太阳光的吸收量,进而减小太阳光对CT-80的光照加热作用,最终降低样品的温度。同时采用红外热成像仪分析CT-80和SiO2-CT-80的温度,如图8所示。从图8可以看出,SiO2-CT-80的温度低于CT-80温度4.5 ℃,因此SiO2-CT-80具有明显的降温效果。

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所示。从图9(a)可以看出,在20:00~21:20的时间段内,CT-80的温度为20 ℃,而SiO2-CT-80的温度仅为13.5 ℃,即SiO2-CT-80可以产生比CT-80低~6.5 ℃的制冷效果(如图9(b)所示)。夜间制冷的主要原因是SiO2-CT-80在中红外波段具有较高的发射率,可以实现与低温外太空热量的有效交换,进而降低其温度。

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

3 结论

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

1

LI Z ZCHAN Q YSONG Yet al. Fundamentals, materials, and applications for daytime radiative cooling[J]. Advanced Materials Technologies202055):1167-1179. [百度学术] 

2

MANDAL JFU YOVERVIG A Cet al. Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling[J]. Science20183626412): 315-319. [百度学术] 

3

LI WFAN S. Radiative cooling: Harvesting the coldness of the universe[J]. Optics and Photonics News20193032-39. [百度学术] 

4

FAN SRAMAM A. Metamaterials for radiative sky cooling[J]. National Science Review20185132-133. [百度学术] 

5

ZENG SPIAN SSU Met al. Hierarchical-morphology metal fabric for scalable passive daytime radiative cooling[J]. Science20213736555): 692-696. [百度学术] 

6

曾少宁胡佳雨张曼妮.面向个人热管理的降温纺织品[J]. 科学通报2022671167-1179 [百度学术] 

ZENG S NHU J YZHANG M Net al. Cooling textiles for personal thermal management[J]. Chinese Science Bulletin2022671167-1179. [百度学术] 

7

方剑任松张传雄. 智能可穿戴纺织品用电活性纤维材料[J]. 纺织学报2021429): 1-9. [百度学术] 

FANG JREN SZHANG C Xet al. Electroactive fibrous materials for intelligent wearable textiles[J]. Journal of Textile Research2021429): 1-9. [百度学术] 

8

WENG WYANG JZHANG Yet al. A route toward smart system integration: From fiber design to device construction[J]. Advanced MaterialsDOI:10.1002/adma.201902301. [百度学术] 

9

YAN WDONG CXIANG Yet al. Thermally drawn advanced functional fibers: New frontier of flexible electronics[J]. Materials Today202035168-194. [百度学术] 

10

HSU P CSONG A YCATRYSEE P Bet al. Radiative human body cooling by nanoporous polyeth-ylene textile[J]. Science20163536303):1019-1023. [百度学术] 

11

LUCAS R A IEPSTEIN YKJELLSTROM T. Excessive occupational heat exposure: A significant ergonomic challenge and health risk for current and future workers[J]. Extreme Physiology & Medicine201431): 1-8. [百度学术] 

12

CHAN A P CYI W. Heat stress and its impacts on occupational health and performance[J]. Indoor and Built Environment2016251): 3-5. [百度学术] 

13

KIM YKIM SLEE W Het al. Direct transfer of CVD-grown graphene onto eco-friendly cellulose film for highly sensitive gas sensor[J]. Cellulose2020273): 1685-1693. [百度学术] 

14

张渝石剑平陈昱文纤维素膜构筑盐差能发电器件及其性能研究 [J].中国造纸2022418):17-22. [百度学术] 

ZHANG YSHI J PCHEN Y Wet al. Performance Research of Cellulose Membrane for Salinity-gradient Power Generation[J]. China Pulp & Paper2022418):17-22. [百度学术] 

15

承斌斌陈裙凤杨伟凯.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2022418):10-16. [百度学术] 

CHENG B BCHEN Q FYANG W Ket al.Effect of Metal Salt Ions on the Properties of Cellulose Ion Gel[J].China Pulp & Paper2022418):10-16. [百度学术] 

16

陈裙凤刘茜杨嘉玮纤维素/离子液体复合凝胶的制备及性能研究 [J].复合材料学报20213812): 4247-4254. [百度学术] 

CHEN Q FLIU XYANG J Wet al. Cellulose-base ionic gel with high performance[J]. Acta Materiae Compositae Sinica20213812): 4247-4254. [百度学术] 

17

LIU W YCHEN YTU Xet al. Processing and mechanical properties of starch and PVA composite reinforced by nano-SiO2[C]//Advanced Materials Research. Trans Tech Publications Ltd2012201-204 [百度学术] 

18

HUANG CWANG D. Surface modification of nano-SiO2 particles with polycarboxylate ether-based superplasticizer under microwave irradiation[J]. Chemistry Select2017229): 9349-9354. [百度学术] 

19

CHYLEK PZHAN J. Interference structure of the Mie extinction cross section[J]. JOSA A1989612): 1846-1851. [百度学术] 

20

TONG J KHUANG XBORISKINA S Vet al. Infrared-transparent visible-opaque fabrics for wearable personal thermal management[J]. ACS Photonics201526): 769-778. [百度学术] 

21

YANG ACAI LZHANG Ret al. Thermal management in nanofiber-based face mask[J]. Nano Letters2017176): 3506-3510. [百度学术] 

22

LI ZCHEN QSONG Yet al. Fundamentals, materials, and applications for daytime radiative cooling[J]. Advanced Materials TechnologiesDOI:10.1002/admt.201901007. [百度学术] 

23

DEEPA BABRAHAM ECORDEIRO Net al. Utilization of various lignocellulosic biomass for the production of nanocellulose: A comparative study[J]. Cellulose2015222): 1075-1090. [百度学术] 

24

QI HCAI JZHANG Let al. Properties of films composed of cellulose nanowhiskers and a cellulose matrix regenerated from alkali/urea solution[J]. Biomacromolecules2009106): 1597-1602. [百度学术] 

25

ZHONG SYI LZHANG Jet al. Self-cleaning and spectrally selective coating on cotton fabric for passive daytime radiative cooling[J]. Chemical Engineering JournalDOI: 10.1016/j.cej.2020.127104. CPP [百度学术]