仿生Janus纤维膜的制备，以实现卓越的被动辐射冷却和加热效果

《Sustainable Materials and Technologies》：Fabrication of bio-inspired Janus fiber membrane for excellent passive radiation cooling and heating

　　

雷佩|潘莎莎|李蓉

东华大学化学与化学工程学院，中国上海201620

摘要

具有被动辐射冷却（PRC）/被动辐射加热（PRH）功能的纺织品已被开发出来，以在不同气候条件下提高人类的热舒适度。然而，现有的仅具有单一PRC或PRH功能的材料仅限于冷却或加热，无法满足高效和可控的个人热管理需求。为了解决这一挑战，我们提出了一种双模式纤维膜，该膜由辐射冷却层、中间隔热保温层和辐射加热层组成。中间层由掺杂气相SiO₂的聚酰胺（PA）纤维构成，这种纤维具有低热导率，可在寒冷环境中减少热量损失，并在高温条件下阻挡外部热量。在冷却方面，PVDF-HFP纳米纤维利用强阳光散射作用，在大气窗口范围内实现98.23%的太阳反射率和98.18%的红外发射率，使白天温度降低至环境温度以下15°C。相反，加热层经过氧化石墨烯（GO）改性，具有高太阳吸收率和导电性。这种设计不仅具有21.5°C的PRH能力，还能实现精确的温度调节。通过简单地翻转纤维膜的方向，可以在冷却和加热模式之间进行切换，使朝向天空的一侧能够适应所需的功能。这种设计为在动态变化的环境中为人体提供连续和高效的热管理。

引言

加热和冷却是传统能源消耗的重要组成部分，尤其是在建筑能源消耗和工业热管理系统中[1]、[2]、[3]、[4]。传统的热管理技术存在加热和冷却效率低以及能源需求过高的问题[5]，这加剧了持续的能源危机和全球气候变化，导致碳排放增加。据统计，发电和供暖占中国二氧化碳排放量的51%，主要来自煤炭燃烧过程[6]。预计在未来三十年内，建筑物的供暖和制冷能耗将分别增加79%和83%[7]。因此，构建绿色高效的新热管理系统对于能源的可持续发展具有重要意义，并受到了广泛关注。受到自然的启发，先进的制造技术如辐射热管理和飞秒激光加工已经发展成为能够制造具有独特表面特性的多功能材料的强大工具，为可持续能源和环境应用提供了非常有前景的解决方案[8]、[9]。其中，辐射热管理（加热/冷却）材料因其出色的光谱选择性而成为一种有前景的解决方案。通过工程化表面结构来精确调节太阳带反射率和中红外带发射率，这些材料可以在无需传统能源输入的情况下实现被动加热或冷却效果[10]。目前，这类辐射材料正在积极开发中，用于个人热调节和大规模空间调节系统。

尽管已经有很多关于辐射加热和冷却系统的研究，但大多数现有研究集中在静态环境或单模式热管理上，无法满足动态热调节的需求。这一局限性突显了需要可切换的双模式PRC/PRH系统以实现自适应辐射热管理。Wang等人[11]报道了一种简单的低温聚合方法，用于合成热响应性聚(N-异丙基丙烯酰胺)/羟丙基甲基纤维素（PNIPAM/HPMC）水凝胶。通过在白色辐射冷却系统中加入少量热致变色微胶囊，他们实现了自适应的彩色太阳加热和辐射冷却薄膜涂层。Fang等人[12]设计了一种基于热致变色水凝胶的可调太阳散射行为的新热稳定材料，无需外部能源输入。这种热稳定结构由三部分组成：顶部辐射冷却部分、中间热致变色部分和底部太阳加热部分，通过动态调节被动辐射冷却和太阳加热来实现热稳定性。当环境空气温差超过6°C时，该材料可以将温差保持在1.2°C以内。然而，热致变色主要是通过相变或颜色变化实现的，这使得全谱调节变得困难。此外，用于热致变色的材料（如热致变色微胶囊[13]、水凝胶[14]、[15]和二氧化钒[16]）相对昂贵，而复杂的制造过程阻碍了实际应用。

本研究受到南美树蛙Bokermannohyla alvarengai的双模生物适应性的启发，这种树蛙表现出显著的温度和光响应性颜色变化[17]。这种青蛙的适应性皮肤颜色在两种不同状态下表现出来：在低温条件（20.0°C）或黑暗状态下呈现深色相，以增强太阳吸收；在高温条件（30.0°C）或光照下呈现浅色相，以促进阳光反射[18]。受到这种双模适应性颜色的启发，最近开发了几种Janus结构纺织品用于动态个人热管理。例如，Zhang等人制造了一种柔性电纺纺织品，其冷却面具有高太阳反射率（96.9%）和高长波红外（LWIR）发射率（93.9%），加热面具有中等太阳吸收率（68.7%）和极低LWIR发射率（5.5%），通过简单地翻转织物即可实现模式切换[19]。尽管这项工作在双模式温度调节方面取得了重要进展，但它仅依赖于被动太阳吸收进行加热，在多云或夜间条件下没有主动加热能力。为了解决这一局限性，研究人员开发了一种具有非对称发射率的双模式纤维膜用于个人热管理。基于这一生物学原理，我们通过电纺和涂层技术开发了一种具有非对称发射率的双模式纤维膜。这种复合结构通过差异化的表面特性模仿了青蛙的适应性。在冷却模式下，朝向外的PVDF-HFP双层表现出出色的辐射性能，实现98.23%的太阳反射率和98.18%的红外发射率。中间隔热层（涂有SiO₂的PA）具有超低热导率，增强了环境保护效果，通过协同的辐射冷却和隔热作用使温度降低至环境温度以下15°C。当翻转用于加热操作时，经过石墨烯改性的表面表现出96.35%的太阳吸收率，同时保持导电性以提供额外的焦耳加热。这种非对称热设计能够在极端环境条件下调节温度，从酷热的沙漠到严寒的气候。纳米纤维网络结构进一步优化了可穿戴性和功能耐久性，为在多变户外环境中的个人热管理提供了实用的解决方案。

章节片段

材料设计和工作原理

B. alvarengai是一种能够长时间暴露在阳光下和高温下的南美树蛙，其皮肤颜色会从深色变为浅色（图1a-b）。研究表明，其颜色变化主要由光强度调节，温度仅起次要作用：增加的光线激活了“漂白”途径，通过抑制黑色素颗粒分散或促进反射性色素分布来快速使皮肤变浅。

实验

材料：热塑性聚氨酯（TPU）来自合肥维奥科技有限公司，氧化石墨烯（GO）由常州第六元素材料科技有限公司提供。聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）由上海麦克林生化有限公司提供。气相SiO₂纳米颗粒购自Aladdin。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和四氢呋喃（THF）来自上海泰坦科技有限公司。油基聚氨酯树脂和

使用扫描电子显微镜（SEM）系统地表征了PPT织物的结构和形态特性。横截面SEM图像显示了PPT纤维膜的明显层状结构（图2e）。比较分析表明，未经处理的纤维和改性纤维之间存在显著的形态差异。未经处理的聚酰胺纤维表面光滑，纤维轮廓清晰（图2f），而经过SiO₂处理的纤维则显示出明显的

结论

总之，我们成功开发了一种多功能PPT纤维膜，它结合了增强的隔热性能和辐射温度调节能力，以满足多样化的热舒适需求。掺杂气相SiO₂的聚酰胺纤维具有低热导率和优异的隔热性能，在极冷环境中有效减少热量损失，同时在高温条件下阻挡外部热量

雷佩：撰写——原始草稿，研究，正式分析。潘莎莎：可视化，研究。李蓉：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。