研究利用氧化硅气凝胶实现聚氨酯及普通织物10℃无源辐射致冷

随着人类生活水平不断提高，为满足人体日常生活舒适性需要，利用空调等温控设备实现凉爽和保暖已成为当下能源消耗的主力军之一。但空调系统需要消耗大量电力，调控对象为整个建筑空间而非个人，能源利用效率较低。日间辐射致冷（passive daytime radiative cooling, PDRC）作为一种无耗能的致冷技术，在改善人体热舒适和降低能耗方面具有潜在应用价值，近年来受到关注。然而，PDRC材料的实际应用还面临着制备工艺、成本以及满足人体舒适性的难题。

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所项目研究员王锦等人开发了以应用于服装领域的热塑性聚氨酯为基底，氧化硅气凝胶颗粒为功能基元的辐射致冷薄膜（AFTPU，图1）。可通过简单和可扩展的非溶剂相分离策略形成微孔，增强薄膜的透湿率以及光学散射中心提高太阳光反射率（图2），同时利用疏水氧化硅功能基元提高PDRC材料的疏水性能，使其免于雨水淋湿、灰尘污染，延长致冷薄膜的使用寿命。在炎热的夏天，实现了相较于环境温度10^oC致冷效果。此外，该薄膜可以折叠、卷曲，裁剪成各种形状，展现出超强的柔性和可裁剪性；薄膜前驱溶液可像油漆一样，将气凝胶/聚氨酯自支撑辐射致冷薄膜涂覆在传统织物上，实现传统面料的辐射致冷应用。

如图2所示，该气凝胶功能化薄膜在可见光波段具有较高反射率为0.89，在中红外波段的发射率也高达0.96。通过自搭建装置进行户外模拟测试，结果表明，TPU以及AFTPU-X薄膜覆盖下的基材温度均低于环境温度，其降温效果在太阳功率超过800 W/m²的情况下达到10^oC。

如图3所示，对传统织物辐射致冷改性后，光学性能有所改善，反射率从0.63提高至0.84，发射率由0.86提高至0.97。在一天中最热时间段的模拟户外测试中，Nylon/AFTPU-10 所覆盖的基材温度比尼龙、棉、涤纶这一系列同色商业面料至少可低8℃，最高可达12℃，未来有望用于人体热管理。

如图4所示，将AFTPU-10与Nylon/AFTPU-10缝制在志愿者衣服左侧胸前，并用红外相机和多通道手持测温仪记录全程的温度变化情况。AFTPU-10的温度比布的温度低约11^oC，比Nylon/AFTPU-10的温度低7.5^oC。该薄膜在多种复杂场景中具备潜在的应用价值，例如遮阳产品、建筑物降温等。

研究工作对气凝胶功能化聚氨酯薄膜的制备和传统织物的辐射致冷改性，以及炎热环境下的人体热管理策略等具有重要意义。相关研究成果以Aerogel functionalized thermoplastic polyurethane as waterproof, breathable free-standing films and coatings for passive daytime radiative cooling为题，发表在Advanced Science上。研究工作得到国家自然科学基金重大研究计划项目以及苏州市科技局基础研究试点项目的资助。

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图1.气凝胶功能化聚氨酯薄膜的制备示意图以及户外环境中人体热量输入和输出途径示意图

图2.气凝胶功能化聚氨酯薄膜的光学性能和日间辐射致冷性能

图3.辐射致冷改性织物的物理性能和辐射致冷性能

图4.人体户外辐射致冷测试以及致冷机理示意图