夏日的清凉—全天候人体冷却织物

图1.透射型（Transmission-type，a和c）和发射型（Emission-type，b和d）辐射制冷织物的降温机理示意图（a和b），及其相应的光谱响应（c和d）。

图1a显示了在不同环境下人体有效冷却的机制。MIR光谱特征如图1b所示。自适应织物在大气窗口(8-13 μm)内表现出发射型特征，在窗口外表现出透射型特征，充分利用大气窗口，同时保留大多数人体辐射的透射冷却能力(~61%，如图1b所示)，使其具有最佳的发射冷却效果。通过对不同类型纺织品求解(发射型、透射型和自适应型)在室外和室内环境下的制冷性能进行了数值评价和比较稳态传热模型。结果表明，在强阳光(800 W/m²)的室外环境中，自适应型纺织品的皮肤表面温度明显低于透射型(低25.7°C)和排放型(低4.2°C)纺织品(图1c,d)。这是由于与透射型纺织品相比，我们的纺织品设计具有更高的太阳反射率，而与发射型纺织品相比，非窗口MIR透射具有额外的冷却效果。对于室内环境，自适应型纺织品的皮肤表面温度略高于透射型纺织品(0.8°C)，但明显低于排放型纺织品(2.5°C)(图1c,e)。

图2.POM 纺织品的设计、制备和光谱分析。

有机材料在MIR区域(对应于人类主要辐射波段)的发射和透射本质上取决于它们的分子键和官能团，它们在不同的波段范围内具有不同的振动吸收和发射特性。图2a列出了聚合物的常见官能团及其在MIR区域(4-25 μm)的波长范围。基于对这些官能团的仔细筛选和分析，假设POM是一种仅由C-O-C键组成的主链聚合物，同时具有发射和传输两种工作模式。利用衰减全反射(ATR)模式傅立叶变换红外光谱。FTIR-ATR曲线特征峰表明，POM的振动吸收和发射波长主要分布在大气窗口，这表明POM是不依赖于工作环境的辐射制冷纺织品的有前途的原料，无需工作依赖环境。除了选择性的MIR发射和透射外，强太阳反射率也是日间室外环境辐射冷却材料的必要条件。在上述分析的基础上，通过静电纺丝合成了厚度为~260 μm的分层POM纳米纤维纺织品(图2c)，表面粗糙度如图2d所示，这种粗糙的表面是由于溶剂的高挥发性而形成的(六氟-2-丙醇)在静电纺丝工艺中的应用。这些POM纳米纤维的直径尺寸分布接近0.3 ~ 1.0 μm的太阳主波段(图2e)，远离MIR波段，有利于高太阳反射率和低MIR反射率。除了合适的纳米纤维直径外，POM纳米纤维的无序排列和粗糙表面也是造成POM纺织品高太阳反射率的原因。由图2f可知，合成的POM织物在0.3 ~ 2.5 μm波段具有较高的太阳反射率达到94.6%，在0.3 ~ 1.5 μm主波段平均反射率达到95.2%。相比之下，在4-25 μm的MIR区域，POM纺织品的超低反射率为6.3%(见图2f)，表明其具有较高的MIR发射率和透射率，是一种理想的无反射纺织品。POM织物在8 ~ 13 μm大气窗口内的选择性发射率为75.9%，在大气窗口外的平均透过率为70.0%。在4-25 μm的整个MIR区域，POM纺织品的平均透过率达到48.5%，表明它可以传输近一半的人体辐射能量。这些结果表明，合成的聚甲醛纺织品具有上述自适应辐射冷却模型的性能，有望提供环境自适应的人体冷却。

图3.POM 纺织品的人体冷却测量，通过与裸露皮肤和覆盖商业棉、透射型PE和发射型 PVDF的皮肤进行比较。

在中国南京炎热的夏季(118°57 ' 10″E, 32°07 ' 14″N)三种典型环境下，阳光明媚的室外，多云的室外和室内环境使用定制的测量设备(图3a,b)，研究了合成POM纺织品的全天候辐射人体冷却性能。如图3c所示，PVDF和Nano-PE纺织品经过精心设计和选择，分别匹配发射型和透射型辐射冷却模型。所选择的PVDF和Nano-PE纺织品在整个MIR区域分别实现了高发射率(90.0%)和高透射率(96.9%)，而前者也具有接近POM纺织品的高太阳反射率(95.1%)，分别符合发射型和透射型辐射冷却模型。

图3d-g清楚地显示了在室外环境下(晴天和多云环境)，POM纺织品覆盖皮肤模拟器的表面温度是五个样品中最低的。在上午10点开始的强直射阳光(>800 W/m²，峰值太阳辐照度~935 W/m²，环境温度为34.1℃)下的晴天场景下，至下午1时，POM织物覆盖皮肤模拟器的温度比裸皮肤和棉、Nano-PE、PVDF覆盖皮肤的温度低15.7℃;

图4.POM 纺织品的耐磨性测试。