可修复梯度结构纺织品实现多场景辐射冷却的双向光谱调控新策略

《Nano-Micro Letters》：Scalable and Healable Gradient Textiles for Multi-Scenario Radiative Cooling via Bicomponent Blow Spinning

　　本文报道了一种通过双组分吹纺技术制备的超柔性梯度微纤维纺织品（GMFT），该材料具有可扩展生产和原位修复特性。研究团队针对传统辐射冷却材料难以同时满足无热源和自热物体冷却需求的难题，创新性地设计了化学组成和纤维直径的双梯度结构。结果表明，GMFT外层表面实现了98.7%的太阳反射率和95.3%的中红外发射率，内层表面则具有90.9%的宽谱红外吸收率，在户外环境中对无热物体和自热物体分别实现了7.8°C和13.6°C的降温效果，为户外热管理提供了创新解决方案。

　　

随着全球变暖和极端气候现象的日益频繁，暴露在强烈阳光和高温环境下的个人健康与设备运行安全面临严峻挑战。传统主动冷却方式如洒水系统或空调机组在户外环境中既不经济也不实用，而被动日间辐射冷却技术通过调控太阳辐射反射率和大气透明窗口发射率，为实现无外部能源消耗的高效冷却提供了新思路。然而，现有辐射冷却材料在应对多样化冷却需求时存在明显局限：一方面，传统纺织品的均匀纤维直径分布限制了其宽带太阳反射能力；另一方面，具有光谱选择性表面的材料虽然能有效冷却环境温度较低的物体，但其选择性中红外发射特性会阻碍与自热物体（如电子设备、人体）之间的高效辐射热交换，导致内部热量积聚。

针对这一技术瓶颈，东华大学张超教授团队在《Nano-Micro Letters》上发表了一项创新研究，开发出具有双梯度结构的可修复微纤维纺织品。研究人员采用双组分吹纺策略，通过实时混合聚偏氟乙烯（PVDF）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）两种聚合物纺丝溶液，成功构建了化学组成和纤维直径均呈梯度变化的智能材料体系。

关键技术方法包括：①设计双组分供料混合系统，通过精确控制PVDF和PMMA纺丝溶液的注入速率（PVDF从30 mL h^-1逐步降至0 mL h^-1，PMMA从0 mL h^-1逐步增至30 mL h^-1）实现组分梯度分布；②优化纺丝工艺参数（相对湿度40%，温度30℃，气压0.1-0.2 MPa）；③利用毛细流动孔隙度仪和扫描电子显微镜表征材料的多级孔结构；④通过傅里叶变换红外光谱和紫外-可见-近红外分光光度计测定光谱性能。

3.1 GMFT的制备与表征

研究团队开发的双组分吹纺技术实现了大面积（80×20 cm）梯度纺织品的可控制备。该材料表现出卓越的机械性能（拉伸强度4.0 MPa，可承载5kg重量）和疏水特性（水接触角137.4°）。通过调节纺丝溶液浓度（PVDF 10-25 wt%，PMMA 10-25 wt%），可精确控制纤维直径在0.3-2.0μm范围内连续变化。红外吸收光谱和差示扫描量热法分析证实了PVDF和PMMA的良好相容性，为梯度结构的稳定形成提供了基础。

3.2 GMFT的不对称光谱发射特性

梯度化学组成赋予了材料独特的Janus光谱选择性：富含PVDF的外层表面在8-13μm大气透明窗口内表现出95.3%的高发射率，而富含PMMA的内层表面在2.5-20μm范围内具有90.9%的宽谱吸收能力。表面选择比（γ）计算显示，PVDF侧为1.68（选择性发射），PMMA侧为1.04（宽谱发射），这种不对称设计有效促进了内部热源的热辐射向外太空的耗散。

3.3 GMFT的太阳反射性能

纤维直径梯度结构（2.0μm至0.3μm）形成了分级多孔界面，通过米氏散射效应实现了98.7%的高太阳反射率。有限时域差分（FDTD）模拟表明，梯度结构比均匀分布结构在有限散射深度内具有更高效的光散射能力。厚度优化实验发现300μm厚的GMFT可获得最佳太阳反射性能（98.9%），过薄或过厚都会降低反射效果。

3.4 GMFT的户外辐射热调节性能

在北京（湿度<30%）和香港（湿度≈90%）的实地测试中，GMFT分别实现了8.7°C和5.6°C的降温效果。与商用Elitex遮阳织物相比，GMFT对无热物体和自热物体的冷却性能分别提升7.8°C和13.6°C。特别值得注意的是，材料还展现出优异的原位修复能力——破损后通过吹纺修复可恢复其结构和功能完整性，水接触角保持在136.1°，机械性能也得到良好保持。

该研究通过创新性的双组分吹纺技术成功解决了辐射冷却材料在多场景应用中的关键技术难题。GMFT的双梯度结构设计不仅实现了优异的太阳光反射和选择性红外发射性能，还通过Janus光谱特性有效促进了内部热量的向外辐射。材料具备的大规模制备、机械柔性和原位修复能力，为其在户外遮阳产品、物流运输等领域的实际应用奠定了坚实基础。这种将材料结构设计与热管理功能完美结合的策略，为开发下一代智能热调节材料提供了新的设计思路和技术范例。