三明治狀雙功能石墨烯修飾PTFE超構(gòu)織物用于輻射冷卻和太陽能加熱

1**成果簡介 **

盡管被動輻射冷卻和主動加熱正在成為下一代智能個人熱管理紡織品的兩個基本功能，但將相反的冷卻和加熱集成到一個具有出色穿著舒適性和多環(huán)境適應(yīng)性的織物中仍然具有挑戰(zhàn)性。本文，北京化工大學(xué)于中振教授和楊冬芝教授在《J. Mater. Chem. A》期刊發(fā)表名為“Dual-functional reduced graphene oxide decorated nanoporous polytetrafluoroethylene metafabrics for radiative cooling and solar-heating”的論文，**研究設(shè)計了一種具有獨(dú)特三明治結(jié)構(gòu)的雙功能還原氧化石墨烯（RGO）修飾納米多孔聚四氟乙烯（PTFE）織物，用于多場景個人熱管理。**通過組裝具有太陽熱和高發(fā)射RGO層和高發(fā)射RGO層和可見透明聚二甲基硅氧烷支撐涂層的光譜選擇性納米多孔PTFE輻射冷卻基板，將相反的冷卻和加熱功能集成到夾層結(jié)構(gòu)的織物中。

所得的織物具有光譜選擇性特性，具有高太陽光譜反射率（>90%，0.25-2.5 μm）和人體紅外輻射范圍內(nèi)的高透明度（>90%，7-14 μm）。對于環(huán)境溫度為36°C的輻射冷卻，構(gòu)織物可以散發(fā)皮膚的熱輻射，并通過最外層可見的反射納米多孔PTFE層防止太陽輻射熱，與傳統(tǒng)棉布相比，實(shí)現(xiàn)了3.2°C溫度下降的輻射冷卻。而對于太陽能加熱，織物可以通過外部RGO層將太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱量，保持更溫暖的表面微氣候，在 0 °C 的低溫環(huán)境下，比傳統(tǒng)棉布高出 17.0 °C。通過翻轉(zhuǎn)織物的正反兩面，可以輕松切換輻射冷卻和太陽能加熱模式，以適應(yīng)各種場景。同時，這種雙功能織物還具有柔韌性、透濕性、防水性、防污性和阻燃性等特點(diǎn)，因此具有顯著的可穿戴性能。

2 圖文導(dǎo)讀

圖1、（a） 描述超結(jié)構(gòu)的輻射冷卻和太陽能加熱機(jī)制的示意圖。（b） 說明制造NPTFE/RGO/PDMS超結(jié)構(gòu)的示意圖。（c） 大NPTFE織物和制備的織物的數(shù)字圖片。（d） 超結(jié)構(gòu)規(guī)則通孔結(jié)構(gòu)的光學(xué)和（e）SEM圖像。（f 和 g）織物NPTFE層的SEM圖像。

圖2、a） 在AM 1.5 G太陽光譜中分離的NPTFE層、RGO層和PDMS涂層RGO層的吸收。（b） NPTFE的FTIR總透射率和織物在HBIR范圍內(nèi)的紅外發(fā)射率。（c） 說明室內(nèi)輻射冷卻測量的示意圖。（d） 在26.9°C的環(huán)境溫度下，用不同紡織品覆蓋的模擬皮膚的實(shí)時溫度和（e）平衡溫度。（f） 室內(nèi)輻射冷卻性能與文獻(xiàn)中報告的比較;紅色區(qū)域中的正值表示與裸露模擬皮膚相比的溫度升高，而藍(lán)色區(qū)域中的負(fù)值表示與覆蓋棉花的皮膚相比的溫度下降。（G–I）覆蓋手指和手臂的織物的輻射冷卻效果。

圖3、（a）在太陽光照射下進(jìn)行太陽能加熱和隨后的冷卻過程中織物的實(shí)時溫度曲線和（b）紅外圖像。（c） 不同太陽光強(qiáng)度下織物的太陽熱轉(zhuǎn)換性能。（d） 太陽能熱加熱測量裝置和（e） 0°C寒冷環(huán)境中織物、NPTFE和棉花的紅外圖像。

圖3、（a、b） 顯示測量室外制冷和供暖性能的實(shí)驗(yàn)裝置照片和示意圖。（c） 室外輻射冷卻和 （d） 太陽能熱加熱測量期間，不同紡織品覆蓋的模擬皮膚的實(shí)時溫度。太陽輻照度和環(huán)境溫度記錄。

圖4、（a）水蒸氣透過率，（b）透氣性和（c）不同紡織品斷裂伸長率的圖。（d） 顯示織物彎曲的數(shù)字圖片。（e） 織物在洗滌-干燥循環(huán)后的發(fā)射率和太陽能熱加熱性能。（f） 織物的PDMS和PTFE層在30°傾斜板時的防水性能。水滴被滴到超結(jié)構(gòu)的不同側(cè)面，并記錄它們滑落到底部所需的時間。（g） 棉紡織品和織物在熱火焰上的燃燒實(shí)驗(yàn)。

3**小結(jié) **

綜上所述，本文設(shè)計了一種三明治結(jié)構(gòu)的雙功能織物，集被動輻射冷卻、太陽能加熱和令人滿意的耐磨性于一體，適用于多場景PTM。通過對NPTFE織物進(jìn)行簡單的PDA親水改性以及隨后對高發(fā)光和太陽能熱RGO層和可見透明的PDMS支撐層進(jìn)行葉片涂層來制備織物。得益于光譜選擇性透明NPTFE基材，所得織物在太陽光譜中表現(xiàn)出出色的反射率（>90%），在被動輻射冷卻的HBIR范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的透明度。因此，它可以直接將熱輻射散發(fā)到外部環(huán)境，并防止太陽輻射加熱與最外層的不透明NPTFE層，導(dǎo)致模擬皮膚在3°C的環(huán)境溫度下比商業(yè)棉布的溫度下降2.36°C。

通過簡單地翻轉(zhuǎn)織物，可以實(shí)現(xiàn)基于裸露的廣譜吸收RGO層的高效太陽能加熱，在0°C的寒冷環(huán)境中表現(xiàn)出令人印象深刻的太陽能加熱性能，比商業(yè)棉布高17.0 °C。此外，超構(gòu)織物在戶外場景中仍保持其較高的PTM性能，并表現(xiàn)出出色的耐磨性、透氣性、防水性、防污性和阻燃性，顯示出可穿戴全天候PTM應(yīng)用的巨大潛力。





審核編輯：劉清