零能耗輻射制冷織物
圖1 零能耗制冷纖維織物制備技術(shù)示意圖
零能耗智能制冷織物將光電超材料技術(shù)與智能紡織技術(shù)結(jié)合,旨在將隨機(jī)結(jié)構(gòu)排布的微納材料與批量制備工藝相結(jié)合制備多材料功能纖維,引入特定波段光學(xué)反射與輻射能力的新特性,構(gòu)建在陽(yáng)光直射的室外環(huán)境下具有顯著的降溫效果(1-30°C范圍內(nèi)可控)的零能耗輻射制冷智能織物(圖1),是材料-光學(xué)-紡織技術(shù)的跨領(lǐng)域多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新。
圖2 零能耗智能制冷織物初步結(jié)果示意圖:(a) 多材料纖維實(shí)物展示圖;(b) 多材料纖維光學(xué)照片;(c) 多材料纖維縫紉照片;(d) 制冷織物實(shí)物展示圖;(e) 制冷織物光學(xué)照片。
基于多材料纖維及纖維束制冷紗線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光學(xué)材料調(diào)控,批量纖維制備工藝已獲得均勻連續(xù)的制冷纖維(圖2 a, b),纖維強(qiáng)度足以利用縫紉機(jī)在商用面料上進(jìn)行任意文字和形狀的繡花。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步利用紡紗和織造技術(shù),得到在太陽(yáng)輻射波段具有>90%反射率、在中紅外波段具有>90%發(fā)射率的、經(jīng)緯編織的光學(xué)超材料制冷織物(圖2 d, e)。
圖3 零能耗制冷織物模擬測(cè)試。(a) 制冷織物樣品降溫測(cè)試結(jié)果曲線圖;(b) 制冷織物樣品與商用織物樣品降溫測(cè)試對(duì)比結(jié)果曲線圖;(c) 制冷織物樣品與商用防曬衣樣品降溫測(cè)試對(duì)比結(jié)果曲線圖。
經(jīng)嚴(yán)格的測(cè)試,零能耗制冷織物樣品可實(shí)現(xiàn)全天低于環(huán)境溫度2-10℃的良好輻射制冷效果(圖3a)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)樣品織物、一系列商用織物(棉、氨綸、雪紡、麻布、防曬衣)以及模擬裸露皮膚進(jìn)行對(duì)比降溫測(cè)試(圖3 b, c),在正午太陽(yáng)輻射功率最強(qiáng)的整個(gè)時(shí)間段,織物樣品低于不同商業(yè)面料5-7℃,低于不同品牌的防曬衣3-7℃。進(jìn)一步在人體皮膚表面和小車模型內(nèi)部進(jìn)行降溫測(cè)試(圖4),與普通棉織物相比,智能制冷織物覆蓋的人體皮膚表面可低~3℃,小車與空白小車的差值溫度可達(dá)~30℃,與反光車罩覆蓋的小車的差值溫度可達(dá)~27℃,具有優(yōu)異的降溫效果。
圖4 零能耗制冷織物降溫測(cè)試。(a) 人體降溫測(cè)試紅外圖;(b) 小車模型降溫測(cè)試。
零能耗制冷織物可對(duì)人體局部微環(huán)境實(shí)現(xiàn)高效的熱學(xué)調(diào)控,提供一種低成本、零能耗、高效的個(gè)人熱管理方案,顛覆傳統(tǒng)制冷技術(shù),尤其是克服室外人體熱管理技術(shù)固有的低效率、高能耗、大體積等瓶頸問(wèn)題,并緩解傳統(tǒng)制冷耗能導(dǎo)致的碳排放;零能耗制冷織物體系基于批量纖維制備技術(shù)以及先進(jìn)紡紗織造工藝,具有零功耗降溫、低成本、可產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)特征,與現(xiàn)有紡織行業(yè)相兼容,適合大規(guī)模推廣制備和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用;零能耗制冷織物秉持可持續(xù)發(fā)展的理念,采用可降解的服用聚合物材料和低成本的微納顆粒為原料,打造低排放、可循環(huán)、綠色環(huán)保、柔軟親膚、舒適透氣的可穿戴終端產(chǎn)品。應(yīng)用前景廣泛,可用于包括高端智能服裝、特種服裝、高端先進(jìn)建材、個(gè)人熱管理裝置、冷鏈系統(tǒng)、智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)等領(lǐng)域,對(duì)纖維新材料技術(shù)和高端紡織產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑式的意義。
華中科技大學(xué)
2021-05-11