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擁有幾千年歷史的絲綢為何還能登上《自然·納米技術》!南大朱嘉/斯坦福范汕洄最新成果,中國建材網,cnprofit.com
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擁有幾千年歷史的絲綢為何還能登上《自然·納米技術》!南大朱嘉/斯坦福范汕洄最新成果
2021年11月10日    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com    |  投稿

減少能源消耗對可持續發展至關重要,因此制定被動式個人熱管理策略對于人類可持續節能發展意義非凡。在漫長的文明史中,各種織物和紡織品被用來為人體帶來舒適感和魅力,并保護人體免受溫度變化的影響。盡管之前已經提出了各種冷卻紡織品設計,但尚未實現基于紡織品的白天輻射冷卻至環境溫度以下中國建材網cnprofit.com。蠶絲是一種由蛾毛蟲生產的天然蛋白質織物,以其閃亮的外觀以及在皮膚上的涼爽和舒適感而聞名。最近人們認識到,絲綢的光學特性源自其分層微觀結構,這可能是探索白天輻射冷卻的一個有希望的起點。然而,蛋白質在紫外線區域的內在吸收阻止了天然蠶絲在陽光下實現凈冷卻。

鑒于此,南京大學朱嘉教授和斯坦福大學范汕洄教授通過分子鍵合設計和可擴展的偶聯試劑輔助浸涂方法探索了絲綢的納米加工,并證明納米加工的絲綢可以實現亞環境日間輻射冷卻。在陽光直射下(峰值太陽輻照度>900 W m–2),觀察到獨立納米加工絲綢的溫度比環境溫度低~3.5 °C(環境溫度為~35 °C)。與天然絲綢相比,當涂有納米加工絲綢時,模擬皮膚的溫度降低了8 °C。納米加工絲綢的這種低溫日間輻射冷卻是在不影響其耐磨性和舒適性的情況下實現的。這種通過可擴展的納米加工技術定制天然織物的策略為實現溫度調節材料開辟了新途徑,并為可持續能源提供了創新途徑。相關工作以“Subambient daytime radiative cooling textile based on nanoprocessed silk”為題發表在國際頂級期刊《Nature Nanotechnology》上。

納米加工絲綢低溫日間輻射冷卻設計

天然蠶絲在紫外線(UV)區域中固有地顯示出高吸收,在太陽光波長范圍內的總反射率僅為~86%,這從根本上阻止了它在白天在陽光下實現凈冷卻能力或低于環境溫度。為了提高紫外線波長區域的反射率,使用偶聯劑通過分子鍵合策略將具有高折射率的無機氧化物納米粒子鍵合到絲上(圖1)。理論模擬和實驗結果均證實,這些納米粒子在紫外線范圍(300-420 nm)內將絲綢的反射率從70%提高到85%。此外,VIS-NIR范圍內的反射率也得到增強,絲綢在全太陽光譜范圍內的整體反射率可達95%左右。結合絲綢在8-13 μm波長范圍內固有的高發射率,納米加工的絲綢在實驗上白天溫度降低約3.5 °C。實驗中使用了尺寸約為300 nm的Al2O3納米顆粒來增加絲綢的UV反射率。通過這種分子鍵合設計策略,在Al2O3顆粒和絲之間形成了強鍵和良好的附著力(圖2)。納米加工的絲織物通過拉伸、彎曲和扭曲變形。在1,000次動態扭曲循環后的反射率與原始樣品的反射率相似。

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圖1納米加工絲綢的低溫日間輻射冷卻設計

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圖2納米加工絲的制備和表征

輻射冷卻性能測量

作者在加利福尼亞州斯坦福大學(37°25′45.5″N,122°10′27.0″W)的晴天對天然絲和納米加工絲進行了22小時的連續輻射冷卻測量。將納米加工絲和天然絲的樣品并排放置在兩個相似的外殼中,同時測量樣品的溫度,以及空氣溫度和太陽輻照度(圖3)。雖然天然蠶絲的溫度在夜間由于其熱輻射而低于環境溫度,但在白天(上午9點至下午5點)在陽光下,由于太陽加熱,其溫度通常高于環境溫度。相比之下,納米加工絲綢的溫度在白天和晚上都始終低于環境溫度。即使在上午11點到下午3點的時間段內,當太陽輻照度超過800 W m–2時,納米加工絲的平均溫度仍然比環境溫度低約3.5°C。結果清楚地說明了納米加工對于用絲綢實現亞環境日間輻射冷卻的重要性。

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圖3天然蠶絲和納米加工蠶絲的輻射冷卻性能測量

納米加工絲綢的熱測量及其可穿戴性能

作者還檢查了當絲綢被用來覆蓋位于加利福尼亞州斯坦福大學陽光下的模擬皮膚時的冷卻性能。模擬皮膚包括硅橡膠絕緣柔性加熱器。當用納米加工絲綢覆蓋時,皮膚的溫度比用天然絲綢或棉花覆蓋或未覆蓋的相同皮膚分別低~8、~12.5和~19°C。在中國南京晴朗的天空下穿著由三種不同紡織品制成的服裝的人體的紅外圖像表明,環境溫度約為37°C,納米加工蠶絲的外表面溫度低于天然蠶絲和棉花的外表面溫度。所有結果都說明了納米加工絲綢的卓越冷卻能力。此外,納米加工蠶絲的水蒸氣透過率與天然蠶絲和Tyvek相似,略高于棉花。納米加工的絲綢在Al2O3加工后也保持良好的透氣性并且可經受至少50次加速洗滌和干燥循環。

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圖4穿著納米加工絲綢的熱測量及其可穿戴性能

小結:作者通過分子鍵合設計策略和可擴展的浸涂方法,納米加工絲綢在白天可以實現低于環境溫度約3.5°C,當覆蓋模擬皮膚時可以實現皮膚溫度降低約8° C。在陽光下,具有與天然蠶絲相似的舒適性和耐磨性。當皮膚直接暴露在環境溫度下時,與這種納米加工絲綢接觸時,皮膚將獲得相同的清涼感。這種通過方便和可擴展的過程定制天然材料的策略不僅可以為個人熱管理提供可持續的節能方法,而且還可以激發開發被動冷卻材料和設備以降低能耗的新途徑.


標簽:今日頭條,技術中心,窗簾家紡
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