随着全球变暖的加剧，暴露在室外环境中的人们的健康受到越来越多的热相关疾病的威胁，这些新出现的问题不仅对人类生产力产生负面影响，而且占全球电力支出约15%的高冷却成本也构成了经济问题。辐射冷却是通过大气透明光谱窗口（ATSW, 8-13µm）向寒冷的外太空(温度为3 K)发射热辐射而不消耗能量，是一种很有前途的能源密集型冷却方法。当人们暴露在室外环境中时，可以减少高热应力的影响，从而延长工作时间，提高工作效率。特别是辐射制冷可以控制人体的小气候，而不是整个环境，从而可持续有效地促进个人热舒适。且具有零能量投入、低成本和环境可持续性的优点。

尽管有一些新兴的研究成果已经产生了各种辐射冷却设计来实现冷却性能，例如光子结构，气凝胶结构（如纤维素气凝胶，木材气凝胶），随机介质（如油漆、乳液）和多孔聚合物结构（如醋酸纤维素，热塑性聚氨酯，聚乳酸），虽然冷却效率很高，但是这些冷却结构需要复杂或昂贵的技术（如光刻）来实现，且不适用于人体可穿戴。因此在实现低温冷却性能的同时，开发一种价格低廉、可提供穿戴舒适度的辐射冷却材料仍然是一个挑战。

近日，江南大学魏取福教授、吕鹏飞研究员提出了一种具有单向导湿的非织造布超织物，结合了辐射冷却和蒸发散热，以实现高性能的个人热、湿管理。这种超织物通过大规模静电纺丝和分层结构设计表现出优异的光谱选择性（太阳光反射率≈92%，大气窗口热发射率≈97%）和 Janus 润湿性，并且还具有优异的弹性，透气/透湿性。可实现低于环境温度约6.5 °C的降温性能和快速的吸湿排汗作用（水分蒸发率为 0.31 g h -1，水分传输指数为 1220%）。此外，可以通过施加各种应变（0–100%）来调节超织物的冷却性能。超织物的成本效益和良好的可穿戴性为可持续能源、智能纺织品和热湿舒适应用提供了一种创新方式。以上研究成果近期以“Dynamically Tunable Subambient Daytime Radiative Cooling Metafabric with Janus Wettability”为题，发表在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上。江南大学纺织科学与工程学院的博士研究生樊崇辉为文章第一作者，江南大学魏取福教授、吕鹏飞研究员为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目支持。

 图1. 亚环境日间辐射冷却超织物结构设计

作者采用大规模静电纺丝和偶联辅助浸涂技术构建了分层结构超织物。具体来说，该超织物由疏水性的Styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS)非织造布内层与亲水性的SEBS/PPO-PEO-PPO (F127)/Al2O3复合材料外层组成，将Janus润湿性和蒸发散热集成到被动辐射冷却系统中。通过将F127与高折射率(n≈1.8)的Al2O3光散射体集成，合理调节并增强了超织物的太阳反射率至≈92%，大气窗口热发射率达到≈97%。

与现有广泛探索的辐射冷却材料（例如，聚氨酯薄膜，纤维素气凝胶）不同，仍然需要对高性能可穿戴材料（特别是吸湿材料）进行更深入的研究。系统研究为如何利用卷对卷静电纺丝和偶合反应技术开发具有双梯度Janus结构的分层设计超织物提供了新的见解。

 图2. 超织物的制备、偶合机理及物理性能

 由于SEBS非织造布具有微纤维网状的孔隙结构、优越的弹性（~1000%）和机械强度，因此与其他被动辐射冷却材料(如醋酸纤维素、聚乳酸)相比，SEBS非织造布具有更大的可穿戴潜力，而其应用的发展受到其弱辐射冷却性能的阻碍。首次利用F127和Al2O3纳米粒子的协同效应，增强了SEBS的辐射冷却性能。

 图3. 超织物的Janus润湿性和吸湿快干性能

将生物相容性F127聚合物和高折射率 （n≈1.8）Al2O3光散射体集成到SEBS织物上时，该层级结构超织物具有很高的光谱选择性。在晴天（~6.5 oC）和阴天（~4.5 oC）都能实现优异的亚环境温度冷却。F127的加入一方面增强了热辐射发射率；另一方面，它在定向输送汗液中起关键作用。具有高太阳反射率的Al2O3纳米颗粒，同时提供了一个粗糙的微纳米纤维表面，促进汗水蒸发，实现“一石二鸟”的功能。

 图4. 超织物的辐射冷却潜在机制和室外亚环境冷却性能

超织物的快速水分蒸发（0.31 g/h）和高水分输送指数（1220%）提供了良好的热湿舒适性，可以预防剧烈运动后的热相关疾病。此外，研究发现超织物在不同应变（0% ~ 100%）下具有机械自适应冷却性能，从而对穿戴过程中产生的复杂变形具有良好的适应性。

 图5. 机械自适应冷却性能

 图6. 超织物的热、蒸发测试及其可穿戴性能

【小结】

综上所述，论文报告了一种分层设计的超织物，分别通过静电纺丝和偶联反应对F127和Al2O3进行功能化处理，集成了辐射冷却和单向导湿性能。结合静电纺非织造布优越的弹性、透气性、透湿性和可穿戴性，可以解决人体在高温、出汗条件下的热湿舒适问题。这项研究可以为设计应用于辐射制冷的下一代可持续和高性能冷却材料提供新思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202300794