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(cè)谘谉崽鞖庀逻M(jìn)行各種活動(dòng)的重大威脅。高溫會(huì)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(huì)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(gè)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?cè)谘谉嵯募臼覂?nèi)外活動(dòng)工作時(shí)有較舒適的身心感受具有重要的價(jià)值和實(shí)際意義。

近年來，發(fā)展個(gè)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(diǎn)［5-7］。早期的個(gè)人冷卻技術(shù)根據(jù)冷卻方式可以分為3類。一是利用對(duì)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(dòng)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(duì)人體熱量進(jìn)行自動(dòng)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(píng)價(jià)了3種不同相變材料冷卻背心在長跑運(yùn)動(dòng)中對(duì)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?cè)跇O端高溫下的工作時(shí)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(diǎn)。

1 輻射制冷材料的作用原理

輻射制冷作為一種被動(dòng)、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(duì)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(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)又具有智能、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。

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(duì)輻射制冷的研究推向了一個(gè)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(shí)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(shí)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(dòng)吸收通常由各種鍵振動(dòng)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(dòng)。因此在構(gòu)建輻射制冷紡織材料時(shí)，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(jì)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(jí)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(shí)，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(shí)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(cè)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(shí)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(shí)，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(yàn)感差，距離實(shí)際運(yùn)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(diǎn)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(jí)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(shí)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(yàn)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(jì)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(shí)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(jiǎn)單、廉價(jià)且可擴(kuò)展的相轉(zhuǎn)化方法制備了具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的聚（偏二氟乙烯-六氟丙烯）涂層，實(shí)現(xiàn)了溫度下降3 ℃～6 ℃的效果。ZHAO H X等［34］報(bào)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(shí)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(yàn)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(yàn)中，改性后的T恤可以使人體皮膚降溫0.6 ℃～1.0 ℃，對(duì)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(gè)百分點(diǎn)～10個(gè)百分點(diǎn)，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(jiǎn)單的噴涂方式涂覆在紡織品表面實(shí)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(gè)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(gè)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(shí)增強(qiáng)太陽反射與中紅外熱輻射來實(shí)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?shí)現(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(gè)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(shí)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(shí)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(chǎng)景，如電池降溫、建筑降溫、交通工具降溫或者糧食倉儲(chǔ)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(huì)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(shí)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(jiǎn)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?，為?yīng)對(duì)日益頻發(fā)的極端高溫天氣，實(shí)現(xiàn)綠色、低碳的生活提供保障。