被動輻射制冷材料可自發(fā)反射太陽光以減少能量吸收，并通過大氣窗口將熱量傳遞到外太空，在改善熱舒適性方面具有巨大潛力。然而，目前報道的輻射制冷材料主要集中在疏水性聚合物膜材料，不利于汗液從皮膚轉移到外界，不可避免地抑制了濕熱環(huán)境中的降溫效果，尤其是在氣候多變的復雜環(huán)境或動態(tài)濕熱的環(huán)境下會導致汗液積聚。聚乳酸（PLA）是一種具有生物相容性的可降解聚合物，已被探索用于日間被動輻射制冷，但其固有紅外發(fā)射率太低，在不同的環(huán)境中實現(xiàn)持續(xù)高效被動制冷仍然是一項挑戰(zhàn)。
近期，南京大學和華中科技大學的研究團隊利用亞硫酸鈣（CaSO3）的高紅外發(fā)射率，利用CaSO3納米顆粒對PLA纖維膜單面修飾，不僅提高了其單面太陽反射率和紅外發(fā)射率，而且改善了單面潤濕性，使不對稱潤濕性Janus膜具有定向傳輸汗液的能力，實現(xiàn)了無機納米增強輻射制冷與汗液定向蒸發(fā)制冷有效結合，在干燥、濕潤的狀態(tài)下均表現(xiàn)出卓越的制冷效果。
Janus纖維膜的結構設計中，PLA-JFM的親水層朝外，疏水層與皮膚接觸，這種親水-疏水形成的梯度結構有助于汗液從皮膚快速轉移到外表面層，從而加速汗液的蒸發(fā)散熱。此外，PLA-JFM膜中納米纖維形成的三維多孔結構和納米顆粒提高了太陽光的反射率，減少了太陽光能量的吸收；同時，CaSO3的高紅外發(fā)射率可將熱量輻射到寒冷的外太空。
CaSO3顆粒在PLA纖維上的原位生長，使薄膜表面從超疏水性變?yōu)槌H水性，PLA-JFM在20s內(nèi)達到吸水飽和，吸水率高達708%，而棉布大約10s內(nèi)達到吸水飽和，吸水率約285%。
純PLA薄膜的太陽反射率為91.3%，原位生長CaSO3顆粒后，共振散射的增強使CaSO3/PLA的太陽反射率達到了96.6%。而且，CaSO3/PLA在8~13μm范圍內(nèi)的紅外發(fā)射率達到96.1%，遠高于純PLA（僅83.3%）。
在干燥狀態(tài)下，隨機交錯超細長納米纖維的微觀結構導致可見光的強烈散射。相比之下，當折射率匹配的液體將纖維膜表面潤濕之后，空氣-聚合物界面處的散射會顯著減少。因此，穿過PLA-JFM的親水性表面層的太陽光在下面的疏水層中重新散射。PLA-JFM雙層結構在吸水后的濕態(tài)制冷優(yōu)勢明顯，即使在潮濕的條件下也能保持高太陽光反射率和低透射率。
具有Janus潤濕性的PLA-JFM實現(xiàn)了定向水傳輸：當水滴接觸到疏水性PLA層，會逐漸滲透到下層并繼續(xù)擴散直至完全轉移；而當水接觸到親水性CaSO3/PLA層時只擴散穿過親水層，不會穿透下層。因此，在實際應用中，疏水層作為和皮膚接觸的底層，可吸收過多的汗液并促進其快速蒸發(fā)。此外，PLA-JFM的水分蒸發(fā)量顯著超過了傳統(tǒng)棉布，在實際應用中能夠使皮膚迅速干燥。
PLA-JFM在干燥和潮濕條件下始終顯示出有效的降溫效果。在晴朗和多云天氣下，其均實現(xiàn)了低于環(huán)境溫度的日間輻射冷卻，對不同的天氣條件具有強適應性。在干燥和濕潤狀態(tài)下，PLA-JFM的溫度與傳統(tǒng)棉布相比分別降低了7.5和2.1°C，表現(xiàn)出優(yōu)異的被動制冷效果。
在戶外環(huán)境中，PLA-JFM會向外部輻射更多的能量，并且潮濕的PLA-JFM在水分轉移后可快速干燥，保持了皮膚的舒適性。PLA-JFM具有良好的透濕性，是傳統(tǒng)棉布的1.33倍；其在320~400nm的紫外線反射率是棉布的2倍多，能更有效阻擋紫外線輻射。
該工作研制的Janus雙面膜材料在人體溫度-濕度有效管理方面極具應用潛力，相關成果以“Advanced Janus Membrane with Directional Sweat Transport and Integrated Passive Cooling for Personal Thermal and Moisture Management”為題發(fā)表在Advanced Fiber Materials上。
近期，南京大學和華中科技大學的研究團隊利用亞硫酸鈣（CaSO3）的高紅外發(fā)射率，利用CaSO3納米顆粒對PLA纖維膜單面修飾，不僅提高了其單面太陽反射率和紅外發(fā)射率，而且改善了單面潤濕性，使不對稱潤濕性Janus膜具有定向傳輸汗液的能力，實現(xiàn)了無機納米增強輻射制冷與汗液定向蒸發(fā)制冷有效結合，在干燥、濕潤的狀態(tài)下均表現(xiàn)出卓越的制冷效果。
Janus纖維膜的結構設計中，PLA-JFM的親水層朝外，疏水層與皮膚接觸，這種親水-疏水形成的梯度結構有助于汗液從皮膚快速轉移到外表面層，從而加速汗液的蒸發(fā)散熱。此外，PLA-JFM膜中納米纖維形成的三維多孔結構和納米顆粒提高了太陽光的反射率，減少了太陽光能量的吸收；同時，CaSO3的高紅外發(fā)射率可將熱量輻射到寒冷的外太空。
CaSO3顆粒在PLA纖維上的原位生長，使薄膜表面從超疏水性變?yōu)槌H水性，PLA-JFM在20s內(nèi)達到吸水飽和，吸水率高達708%，而棉布大約10s內(nèi)達到吸水飽和，吸水率約285%。
純PLA薄膜的太陽反射率為91.3%，原位生長CaSO3顆粒后，共振散射的增強使CaSO3/PLA的太陽反射率達到了96.6%。而且，CaSO3/PLA在8~13μm范圍內(nèi)的紅外發(fā)射率達到96.1%，遠高于純PLA（僅83.3%）。
在干燥狀態(tài)下，隨機交錯超細長納米纖維的微觀結構導致可見光的強烈散射。相比之下，當折射率匹配的液體將纖維膜表面潤濕之后，空氣-聚合物界面處的散射會顯著減少。因此，穿過PLA-JFM的親水性表面層的太陽光在下面的疏水層中重新散射。PLA-JFM雙層結構在吸水后的濕態(tài)制冷優(yōu)勢明顯，即使在潮濕的條件下也能保持高太陽光反射率和低透射率。
具有Janus潤濕性的PLA-JFM實現(xiàn)了定向水傳輸：當水滴接觸到疏水性PLA層，會逐漸滲透到下層并繼續(xù)擴散直至完全轉移；而當水接觸到親水性CaSO3/PLA層時只擴散穿過親水層，不會穿透下層。因此，在實際應用中，疏水層作為和皮膚接觸的底層，可吸收過多的汗液并促進其快速蒸發(fā)。此外，PLA-JFM的水分蒸發(fā)量顯著超過了傳統(tǒng)棉布，在實際應用中能夠使皮膚迅速干燥。
PLA-JFM在干燥和潮濕條件下始終顯示出有效的降溫效果。在晴朗和多云天氣下，其均實現(xiàn)了低于環(huán)境溫度的日間輻射冷卻，對不同的天氣條件具有強適應性。在干燥和濕潤狀態(tài)下，PLA-JFM的溫度與傳統(tǒng)棉布相比分別降低了7.5和2.1°C，表現(xiàn)出優(yōu)異的被動制冷效果。
在戶外環(huán)境中，PLA-JFM會向外部輻射更多的能量，并且潮濕的PLA-JFM在水分轉移后可快速干燥，保持了皮膚的舒適性。PLA-JFM具有良好的透濕性，是傳統(tǒng)棉布的1.33倍；其在320~400nm的紫外線反射率是棉布的2倍多，能更有效阻擋紫外線輻射。
該工作研制的Janus雙面膜材料在人體溫度-濕度有效管理方面極具應用潛力，相關成果以“Advanced Janus Membrane with Directional Sweat Transport and Integrated Passive Cooling for Personal Thermal and Moisture Management”為題發(fā)表在Advanced Fiber Materials上。
