[發明專利]一種濕法紡絲輻射制冷纖維、制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202110020749.2
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN112853522A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 陶光明;曾少寧;馬耀光
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: D01F2/00
• 分類號: D01F2/00;D01F9/00;D01F6/54;D01F6/50;D01F6/92;D01F6/90;D01F6/48;D01F6/44;D01F6/94;D01F1/10;D01D1/02;D01D5/00
• 代理公司: 北京彩和律師事務所 11688
• 代理人: 閆桑田;劉磊

本發明公開了一種輻射制冷纖維、制備方法及其應用。本發明公開了一種輻射制冷纖維的制備方法，其包括下述步驟：將無機微納顆粒和基底材料混合得到微納顆粒和基底材料紡絲原液；將所述微納顆粒和基底材料紡絲原液進行干濕法紡絲，得到輻射制冷纖維。使用上述方法制備，能夠使纖維在具有優異輻射制冷性能的同時兼具良好的力學性能以及高舒適性，并且有效減少聚合物在紡絲過程中的降解量，提升纖維的綜合性能。制備的輻射制冷纖維與織物具有高柔性，極大增強人體舒適感，且通過調控微納顆粒的尺寸和濃度達到優異的輻射制冷效果，能編織成適用于人體皮膚表面降溫的柔性織物，并且柔性織物8?13μm波段的平均發射率≥0.9，在太陽光波段的平均反射率≥0.9。

技術領域

本發明涉及輻射制冷技術領域，尤其涉及一種輻射制冷纖維、制備方法及其應用。

背景技術

傳統空間熱調控系統是通過對整個空間加熱和制冷的方式達到溫度調控目的，此過程往往伴隨著大量的能源消耗，由此產生的能源浪費和環境污染問題給人類生產生活帶來極為不利的影響。在全球電力能耗中，制冷占據主要部分，如此大的制冷耗能將對人類生產經濟造成嚴重威脅。因此通過降低空間冷量需求，不僅能夠實現有效經濟的個人舒適，更對人類可持續發展具有積極意義。

輻射制冷技術通過材料選擇和結構調控，可使物體在8-13μm獲得高發射率，而在0.3-2.5μm的太陽輻射波段實現高反射率，利用這種光譜選擇性調控的方式有效地輻射熱量并阻擋能量輸入，由此達到制冷的目的。與目前大多數需要能源將熱量帶走的制冷方式不同，輻射制冷無需任何電力輸入，對降低全球能耗和環境保護具有積極的推動作用。

2013年斯坦福大學團隊通過理論設計出能實現輻射制冷的金屬電介質光子結構，通過納米光學材料設計，該周期孔洞的微納結構理論上可實現低于環境溫度40-60℃的被動制冷，實現了超過100W/m²凈冷卻功率。隨后該團隊通過微納加工手段制備了集成了太陽反射器和熱發射器的光子輻射制冷器，首次實現了日間輻射制冷。該光子輻射制冷器是以銀膜作為襯底的多層膜結構，在反射97％的太陽輻射的同時，實現了大氣透明窗口強烈的選擇性發射。

自此，通過材料選擇和結構設計的日間輻射制冷系統逐漸引起越來越多人的關注。在2017年，美國科羅拉多大學有團隊制備了一種隨機玻璃-聚合物混合超材料，在透明聚合物甲基戊烯中嵌入隨機分布的共振電介質SiO₂微球，并用銀薄膜作為背襯，其制備的200nm銀涂層背襯的50μm厚的超材料能夠反射約96％的太陽輻射，在8-13μm之間具有大于93％的高發射率，直射陽光下能夠產生大于100W﹒m^-2的輻射冷卻功率。美國哥倫比亞大學Yang和Yu教授團隊基于相分離法制備了P(VdF-HFP)分級多孔涂層，通過涂層內的微納孔隙實現了0.96的高太陽輻射反射率和0.97的高紅外發射率，在陽光下可實現低于環境溫度～6℃的被動制冷效果。

盡管日間被動輻射制冷已經實現并取得了優異的降溫效果，但現有的涂層態、薄膜態輻射制冷材料由于缺乏必要的透氣透濕性、柔軟性和舒適性而無法適用于人體皮膚降溫。因此，需要開發柔軟舒適的纖維織物態輻射制冷材料，從而滿足個人熱舒適需求。

中國專利申請CN110042564A提出了一種輻射制冷纖維膜及其制備方法和應用。通過靜電紡絲將單分散性好的輻射粒子隨機分散在聚合物纖維之間，制備得到結構簡單的、可用于人體散熱降溫的纖維膜。在陽光下進行測試，該纖維膜可使物體表面溫度低于環境溫度1.6℃-2.7℃，但此方法生產效率低，工藝復雜，設備成本高，且不具備可編織性，應用場景受到限制，無法制備用于人體輻射制冷的紡織品。

中國專利申請CN202010261971.7提出了一種輻射制冷纖維的設計方法以及該輻射制冷纖維，利用基于時域有限差分法的FDTD Soultions構建基底材料中摻雜介質微納顆粒的仿真模型，通過精確控制散射介質的濃度和尺寸實現了在相同體積百分數下最高的太陽光譜反射效率，為輻射制冷纖維提供了完備的設計方法，實現與現有的工業技術良好兼容。