一种高掺杂辐射制冷复合纤维及其织物的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高掺杂辐射制冷复合纤维及其织物的制备方法，包括制备辐射制冷复合材料，所述辐射制冷复合材料包括聚合物基底材料和无机微纳颗粒；制备包含所述辐射制冷复合材料的纤维预制棒；将该纤维预制棒进行热拉制，制得辐射制冷复合纤维。本发明专利技术利用热拉制的方法制备可高浓度掺杂微纳颗粒的辐射制冷复合纤维及织物，通过调控纤维预制棒的宏观结构和形状，可制备出具有多种复杂结构的复合纤维，并实现径向和角向任意浓度分布；该纤维不仅具有优异的辐射制冷性能和力学性能，且制备方法简单，可连续大规模制备，适合工业方法应用，同时可根据自己需求设计不同材料。

【技术实现步骤摘要】
一种高掺杂辐射制冷复合纤维及其织物的制备方法
本专利技术涉及一种辐射制冷领域，特别是涉及一种辐射制冷复合纤维及其织物的制备方法。
技术介绍
能源推动着文明发展进步，我们享受的现代化生活无不建立在能源消耗的基础之上。但能源的高消耗会造成温室气体的过度排放，导致全球变暖，扰乱气候平衡。全球变暖不仅带来威胁到人类的健康高温极端天气，还限制了工业劳动力和生产力的发展。据美国能源部和国家能源局统计，建筑空间供热和制冷消耗了全球15％的电力和产生了全球10％的温室气体排放，是住宅和商业能源消耗的主要部分。随着“温室效应”和全球变暖的加剧，对制冷的能源需求日益增加，到2050年，对冷却系统的需求预计将增长10倍，这导致了大量的能源消耗，并进一步对人类可持续发展构成巨大挑战。面对巨大的能源消耗问题，人们希望寻求有效和经济的方式为人体提供局部降温，而不将多余的电力浪费在整个建筑上，实现零能耗和零污染的个人热舒适。辐射制冷技术通过材料的选择和结构的设计，使物体在在太阳辐射(0.3μm-2.5μm)波长范围实现高反射率，极大阻挡人体通过太阳辐射的热量输入，在人体热辐射波段(7μm-14μm)实现高发射率，从而将人体的热辐射损失最大化，有效地实现了零能耗降温的目的，具有重要的节能意义。尽管辐射制冷已逐渐成为研究热点，但现有辐射制冷材料及其制备方法要应用于人体降温织物仍具有一定的局限性。美国哥伦比亚大学YuanYang教授团队基于相位反转的方法制备分级多孔P(VdF-HFP)涂层，涂层内含5μm的微孔和50-500nm的纳米孔，约300μm厚的P(VdF-HFP)分级多孔涂层实现了96％的高太阳光反射率和97％的高热发射率，在阳光下测试被动辐射制冷性能可使温度下降～6℃。在中国专利技术专利CN110041735A中公开了一种光谱选择性白天辐射制冷涂层材料，利用银作为反射层材料，镀设有氮化硅层(Si3N4)的氧化铝单晶作为红外发射层。此涂层材料由保护层、反射层和红外发射层组成，在太阳辐射波段的平均反射率大于0.95，且通过调节氮化硅的厚度在通过可实现发射率0.6-0.9的变化，具有较好的光谱选择性，结构简单且制冷效果显著。尽管上述涂层材料能够以涂覆的方式用于建筑物、交通工具或是服装等生活用品的外表面，具有良好的辐射制冷效果，但由于涂层透气性差，无法直接应用于人体热舒适调节。另一种辐射制冷涂层(CN110628325A)由反射隔热层以及罩面保护层组成，反射隔热层包括耐高温基材、耐高温辐射制冷颜料以及其他助剂，保护层包括二氧化钛溶胶以及硅溶胶，此专利技术制备的涂层对可见光以及红外光具有大于80％的反射率，并在大气窗口波段具有大于80％的红外发射率，且对紫外线起到阻隔作用，能够在温度为-40℃-500℃的环境中长期使用。尽管涂层材料具有辐射制冷性能，能够为物体提供散热和抗紫外的保护作用，但其不具备可穿戴性，无法用于人体的局部降温。美国科罗拉多大学Yang和Yin教授团队将共振极性介电微球二氧化硅(SiO2)嵌入到甲基戊烯聚合物基底材料中，制备了在大气窗口具有高红外发射率的随机玻璃-聚合物混合超材料薄膜，并利用银薄膜作为背衬。由于SiO2微球与红外光的相互作用，使薄膜超材料在大气窗口(8μm-13μm)具有高发射率，而银薄膜使材料强烈地反射太阳辐射，利用此方法制备的200nm银涂层背衬的50μm厚的超材料能够反射约96％的太阳辐射，在8-13μm波段具有大于93％的发射率，直射阳光下能够产生大于100Wm-2的辐射冷却功率，可用于有效的日夜辐射制冷。在中国专利技术专利CN109968769A中公开了一种低成本大面积无能耗辐射制冷复合薄膜及制备方法，薄膜自下而上包括日光反射层、紫外吸收荧光层、红外辐射疏水层、保护层组成。将微米颗粒和聚丙烯溶液混合后通过挤压的方式制备日光反射层，微纳粉末和荧光剂混合物喷涂制备紫外吸收荧光层，利用聚二甲基硅氧烷溶液喷涂或刮涂在薄膜表面得到红外辐射疏水层，此方法制备的复合薄膜的太阳光能量平均反射率达到97％，大气窗口平均辐射率达到95％。但此方法步骤复杂，无法一步成型，且制备的薄膜柔性差，无法用于人体降温，仅适用于工业领域。而另一种添加二氧化钛空心球的高分子辐射制冷薄膜，如中国专利CN109705819A所公开的，则是将二氧化钛空心球与偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物混合均匀后涂布制备，实现8μm-13μm范围的高发射率和太阳光辐射波段的高反射率。虽然以上薄膜材料具有有效的降温辐射制冷性能，但是其缺乏透气性和舒适性，且方法无法大规模生产，不适用于人体降温。美国马里兰大学胡良兵教授团队通过对木材进行完全去木质素化和机械压制处理，制备了具有辐射制冷效果的制冷木材，其内部的纤维素纳米纤维使其在所有可见光波长范围产生强烈反射，且纤维素的分子振动和拉伸增强了红外辐射，使整个大气窗口的平均发射率大于0.9。此方法制备的制冷木材，厚度2mm，在夜间可使测试装置内平均气温低于环境气温大于9℃，日间平均气温低于环境气温大于4℃，24小时的平均冷却功率达53Wm-2。尽管制冷木材兼具高机械强度和韧性的同时达到了良好的日夜辐射制冷效果，但内部致密的纤维素纳米丝导致其缺乏透气透湿性和柔性，无法提供人体皮肤表面的热舒适调节。斯坦福大学Cui教授团队利用商用纳米多孔聚乙烯(PE)织物进行辐射制冷，具备50nm-1000nm纳米孔的PE织物的平均红外透射率达77.8％，不透明度高于99％，测试时覆盖纳米多孔PE织物的皮肤温度比覆盖棉织物低2.0℃，可实现不透明的个人热管理。虽然纳米多孔聚乙烯薄膜在测试中具有有效的辐射制冷性能，但无纺布由于不适用于普通服装，无法实现有效个人热管理。相较于薄膜态，纤维态的辐射制冷材料所具备的透气透湿特性和柔性更适合人体热管理。将单分散性好的高发射的辐射粒子SiO2微球均匀分散在聚合物，例如PE、PA6、PMMA、PVDF溶液中，通过静电纺丝可制备得到辐射制冷纤维膜，如中国专利CN110042564A所公开的，在阳光下进行测试，纤维膜下方紧贴着的物体表面的温度要比周围的环境温度低1.6℃-2.7℃。即使其具备给人体皮肤表面辐射降温的能力，但此方法生产效率低，工艺复杂，设备成本高，且缺乏可编织性，无法制备用于人体辐射制冷的纺织品。如中国专利CN110685031A所公开的，利用熔融纺丝的方法可将质量分数为1％-17％的功能填料与基体材料混合制备辐射制冷纤维，进一步编织可得到的辐射制冷面料对太阳辐射波段具有大于60％的反射率，在人体热辐射波段具有大于80％的发射率，良好的降温效果可用于制备有降温需求的纺织品。但此方法使掺杂在纤维内部的功能填料质量分数较低，无法有效阻挡太阳辐射的输入，因此辐射制冷效果有限。综上所述，现有辐射制冷材料多为涂层或薄膜态，透气性和舒适性不足无法用于人体皮肤降温；静电纺丝等方法工艺复杂、成本高；而传统熔融纺丝由于内部掺杂颗粒含量低，辐射制冷效果有限。所以，现缺乏一种制备可高浓度掺杂无机微纳颗粒的辐射制冷纤维的技术，实现纤维形状结构和浓度分布可控，在达到优异的辐射制冷性能的同时兼具良好的机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高掺杂辐射制冷复合纤维的制备方法，其特征在于：包括，/n制备辐射制冷复合材料，所述辐射制冷复合材料包括混合的聚合物基底材料和无机微纳颗粒；/n制备包含所述辐射制冷复合材料的纤维预制棒；/n将该纤维预制棒进行热拉制，制得辐射制冷复合纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种高掺杂辐射制冷复合纤维的制备方法，其特征在于：包括，
制备辐射制冷复合材料，所述辐射制冷复合材料包括混合的聚合物基底材料和无机微纳颗粒；
制备包含所述辐射制冷复合材料的纤维预制棒；
将该纤维预制棒进行热拉制，制得辐射制冷复合纤维。


2.如权利要求1所述的高掺杂辐射制冷复合纤维的制备方法，其特征在于：所述制备辐射制冷复合材料，包括将无机微纳颗粒和聚合物基底材料通过化学溶解混合和/或物理共混步骤进行均匀复合。


3.如权利要求1所述的高掺杂辐射制冷复合纤维的制备方法，其特征在于：
所述制备包含所述辐射制冷复合材料的纤维预制棒，包括将辐射制冷复合材料加工成型，得到辐射制冷复合材料的纤维预制棒；
或者包括将所述辐射制冷复合材料与其他聚合物材料加工组合，制成复合结构的纤维预制棒。


4.如权利要求1所述的高掺杂辐射制冷复合纤维的制备方法，其特征在于：所述将该纤维预制棒进行热拉制，获得辐射制冷复合纤维，包括将纤维预制棒在拉丝设备上进行热拉制，得到丝径均匀的辐射制冷复合纤维。


5.如权利要求1所述的高掺杂辐射制冷复合纤维的制备方法，其特征在于：所述无机微纳颗粒包括二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、硫化锌(ZnS)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、氧化铁(Fe2O3)、氮化硼(BN)、硫酸钡(BaSO4)、碳酸钡(B...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶光明，曾少宁，马耀光，胡润，吴嘉威，向远卓，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42