聚合物非织造纤维材料因具备可调控的亚波长尺寸，能够实现可见光至中红外波段的光线调控，已被广泛应用于被动辐射制冷领域。然而，现有的辐射制冷织物，无论是平直纳米纤维静电纺制的二维非织造布，还是带有功能涂层的多层织物，均牺牲了纺织品至关重要的透气透湿性能。

基于此，苏州大学张克勤教授、汪晓巧教授、谢安全团队受生物卷须启发，研发了兼具高效辐射冷却与高透气空气净化功能的三维螺旋纳米纤维，并对其制备工艺与光学性能设计展开研究。研究采用气吹静电纺丝技术共纺醋酸纤维素（CA）与聚偏氟乙烯 - 六氟丙烯（PVDF-HFP），两种材料的力学性能差异，结合静电场与气流扰动作用，共同驱动螺旋纤维的形成。

所制备的螺旋纳米纤维超织物（HNMF）依托分级多孔的纳米螺旋结构，以及 CA/PVDF-HFP 的分子骨架特性，实现了约96% 的太阳反射率与大气透射窗口内约91% 的发射率。该材料在实现高效辐射制冷的同时，以52.8 Pa的低压降，去除99.9% 以上的PM₀.₃颗粒物。户外实测与建筑能耗模拟结果证实，HNMF 可制成防护窗帘与口罩，有效应对环境热应激与颗粒物暴露问题，在可穿戴个人防护、节能建筑领域具备成为多功能、可规模化材料平台的巨大潜力。相关研究内容以“Bioinspired 3D Helical Nanofiber Metafabrics for Concurrent Thermal Management and Particulate Protection”为题目，发表在期刊《ACS Nano》上。

图 1 螺旋纳米纤维超织物（HNMF）的结构设计、性能与应用。(a)气吹静电纺丝制备 HNMF 的示意图；(b) HNMF 的实物照片与SEM图；(c) 志愿者在 30℃室外环境中分别佩戴 HNMF 口罩与 N95 口罩 20 分钟后的实物照片及对应红外热成像图；(d) HNMF 在建筑集成系统与可穿戴设备中实现日间辐射制冷 + 空气过滤的双功能应用。

图 2 CA/PVDF‑HFP 螺旋纳米纤维的制备与形貌。(a) CA/PVDF‑HFP 螺旋纳米纤维的形成机理示意图；(b) PVDF‑HFP 与 CA 的拉伸应力‑应变曲线；(c) PVDF‑HFP 与 CA 的动态力学分析曲线；(d) 气吹纺丝工艺制备的 CA/PVDF‑HFP 复合纳米纤维的 SEM 图像；(e) 静电纺丝工艺制备的 CA/PVDF‑HFP 复合纳米纤维的 SEM 图像；(f) 气吹静电纺丝工艺制备的 CA/PVDF‑HFP 复合纳米纤维的 SEM 图像；(g) 不同螺旋直径的 CA/PVDF‑HFP 螺旋纳米纤维的 SEM 图像；(h) 优化后 CA/PVDF‑HFP 螺旋纳米纤维膜的纤维直径分布；(i) 优化后 CA/PVDF‑HFP 螺旋纳米纤维膜的螺旋直径分布。

图 3 HNMF 的光学性能与日间辐射冷却性能。

图 4 HNMF 的空气过滤性能。

图 5 HNMF 的户外辐射冷却与空气过滤性能。

图 6 HNMF 的建筑能耗模拟。

结论

本研究设计并制备了螺旋纳米纤维超织物（HNMF），实现了辐射冷却与空气净化的一体化融合。该材料可通过三通道气吹静电纺丝实现规模化制备，纺丝过程中利用 PVDF‑HFP 与醋酸纤维素（CA）之间的力学性能不匹配，形成螺旋纳米纤维。

优化后的 HNMF 由 CA/PVDF‑HFP 螺旋纤维构成，纤维平均直径约 200 nm，螺旋直径约 670 nm。螺旋纳米纤维结构可促进宽谱太阳光散射，实现96% 的太阳反射率；同时，CA 与 PVDF‑HFP 的聚合物分子主链贡献了91% 的大气窗口（8–13 μm）发射率。这些精准设计的光学性能协同作用，实现了高效的日间辐射冷却。

此外，该超织物的三维纳米螺旋孔结构保证了高透气透湿性与高效粉尘截留能力，在仅 52.8 Pa 的低压降下，对 PM₀.₃颗粒的去除率达 99.92%。在颗粒物污染与热应激复合环境下的实际户外测试表明：与传统防护帘相比，基于 HNMF 的建筑防护帘可使室内温度降低6.3 ℃，PM₂.₅浓度降低24 μg/m³；佩戴 HNMF 口罩的模拟皮肤表面温度，比佩戴商用口罩低9–10 ℃。建筑能耗模拟进一步显示，HNMF 可使建筑年制冷能耗降低11.7%，二氧化碳排放量减少12%。

总体而言，HNMF 为抵御环境高温与颗粒物污染提供了可规模化、多功能的双重个人防护平台，在个人健康管理、节能建筑方案及环境治理领域展现出重要应用潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c00876