郑州大学Small| 用于个人热管理的静电纺紫色织物

被动辐射冷却（PRC）通过反射太阳辐射并被动地将身体热量散发到外部空间来实现有效的个人热调节。然而，平衡美学吸引力与有效冷却仍然具有挑战性，特别是对于紫色织物。这是因为实现紫色需要强烈吸收太阳辐射的峰值区域绿色光，这与PRC的原理根本冲突。在此，我们通过一步静电纺丝策略设计紫色冷却织物来解决这种权衡，在热塑性聚氨酯中使用金属有机框架（MOF）作为光谱选择性着色剂。MOF从其咪唑和Co-N框架提供密集的中红外振动吸收，实现96.4%的中红外发射率，而与ZnO纳米颗粒的协同散射提供了87.6%的平均太阳反射率（90.1%在可见光范围内，90.7%在近红外范围内）在阳光直射下的室外测试表明，该织物比商业白色和紫色棉分别凉爽4.2摄氏度和6.2摄氏度。这项工作展示了MOFs在彩色PRC织物上的新用途，推动下一代可穿戴面料的开发，增强热舒适性和美学吸引力。

研究背景

随着极端天气事件频发和热浪加剧，从事户外活动的个人（如工人、运动员和旅行者）面临着越来越大的健康风险，严重时可导致热衰竭、中暑和其他与热有关的疾病。集成被动辐射冷却（PRC）技术与织物提供了一种可持续的方法，以实现有效的个人热量调节，通过有效地反射太阳辐射，同时发出身体热量作为中间然而，现有的PRC织物主要优先考虑最大化太阳能反射率和最小化热吸收，导致在可见光谱范围内的近全反射。这种织物通常呈现出非常明亮甚至耀眼的白色外观，这大大降低了其美学吸引力。这种局限性使得它们不适合日常服装的颜色和风格要求，并且在大面积使用时还可能导致视觉污染。

为了平衡热性能和视觉美观之间的权衡，彩色辐射冷却（CRC）技术成为关键的研究焦点。例如，已经探索了利用Tamm/等离子体共振的光子结构。受变色龙皮肤的启发，Wang等人设计并开发了结构着色的非致密堆叠光子晶体织物。然而，光子结构涉及精确的制造技术，并且通常包括金属衬底，适用于柔性可穿戴辐射冷却织物中的应用。另一种方法涉及使用光致发光材料，其吸收入射光并以较长波长重新发射，从而在赋予颜色的同时减少热负荷。例如，Liu等人证明，与传统的彩色商业羊毛和染色织物相比，基于碳点的超织物分别实现了3.7摄氏度和3.6摄氏度的温度降低。尽管CRC织物的开发取得了显著进展，这一领域还远未成熟。获得像紫色这样的深色，仍然是一个巨大的技术障碍。作为仅次于黑色的高吸收可见色，其颜色来源于在太阳辐照度的峰值区域期间对绿色光的强吸收。这一要求使得实现高-性能紫色冷却织物的一个重大挑战。

金属有机框架（MOF）由于其固有的高发射率、结构可调性和多样的颜色特性，为解决上述挑战提供了非常有前途的策略。其光吸收限于可见光区域（500- 600 nm），同时在近红外中保持高反射率[26-28]。ZIF-67的简易合成和丰富的红外活性键产生高中红外发射率-对于8- 13 µm大气窗口的辐射冷却至关重要（图S1）。在此基础上，掺入少量的高折射率无机散射相，（例如，ZnO）可以进一步增强太阳能反射率。这种方法显示出与MOF的光谱选择性吸收协同作用的前景，从而实现冷却性能和颜色外观之间的有效平衡。

在这项研究中，我们采用了一步静电纺丝策略，以制造光谱选择性纳米纤维织物，联合收割机结合了紫色的外观与优异的辐射冷却性能。通过将紫色ZIF-67和ZnO纳米粒子引入热塑性聚氨酯（TPU）纤维中，所得织物的太阳光反射率达到87.6%，中红外发射率达到96.4%，在室外测试中与商用棉织物相比具有显著的凉爽效果。此外，这种紫色织物还具有优异的上级疏水性和耐磨性，该研究不仅拓宽了CRC织物的研究范围，而且为将MOF材料应用于CRC织物提供了一条可行的途径。

图1 用于辐射冷却的MOF（ZIF-67）和ZnO的光学性质。（a）示出用于辐射冷却的光和MOF之间的相互作用的示意图。（B）外观，（c，d）SEM图像，（e）XRD图案，（f）ZIF-67的ATR-FTIR吸收光谱和（g）ZIF-67的拉曼光谱。（h）用于辐射冷却的阳光与ZnO相互作用的示意图。具有不同直径的ZnO纳米颗粒对太阳光的散射效率。（j）具有200、240和260 nm直径的ZnO纳米颗粒在太阳照射下的散射效率。

图2  TZM织物的制造和结构表征。（a）TZM织物的静电纺丝过程的示意图。(b)TZM 1织物的照片（在表面上放置一朵类似颜色的小花以视觉上显示其紫色外观）。（c）TZM 1的EDS图像。（d）TZM 1、（e）TZM 2、（f）TZM 3和（g）TZM 4的SEM图像。（h）TZM 1-TZM 4的XRD图案。（i）TZM 1的XPS光谱，相应的Zn 2 p高分辨率光谱显示为插图。（j）TZM 1-TZM 4的FTIR光谱。

图3 样品的光学性质和辐射冷却性能。（a）测量的太阳反射率和（B）TZMX纳米纤维织物的Ehrman光谱。（c）用于辐射冷却性能测量的自制装置的示意图。（d）太阳辐照度，实时白天，和（e）2025年4月10日TPU，TPU/ZnO和TZM 1的夜间温度变化。（f）太阳辐照强度，2025年4月12日TZMX织物的实时日间和（g）夜间温度变化。不同hc值下TZM 1的理论（h）日间和（i）夜间净冷却功率。

图4 模拟和实际条件下TZM 1织物的辐射冷却性能。（a）本工作中开发的辐射冷却织物与传统织物之间的示意性比较。TZM 1织物和商业棉在光照强度为（B）500 W m-2时的实时温度，（c）800 W m-2和（d）1100 W m-2。（e）不同光照强度下TZM 1和商用棉织物的平均表面温度。（f）模拟皮肤设置的示意图。实时（g）白天和（h）TZM 1织物、模拟皮肤、环境温度和商用棉的夜间温度变化。（i）TZM 1织物和染料基棉的红外热图像。（j）TZM 1织物和棉的实时温度。

图5 耐磨性，机械性能，（a）TZM 1超轻织物在植物雄蕊顶部的照片。（B）（c）TZM 1织物在任意弯曲下的光学照片。（d）TZM 1的应力-应变曲线。（e）TZM 1和纯TPU织物的紫外透射光谱。（f）水蒸气蒸发质量和（g）在60 ℃时，用石蜡膜、TZM 1织物、商品棉和开放状态密封的水的相应蒸发速率。（h）TPU（左）和TZM 1（右）的静态水接触角。（i）本工作与其他工作的性能比较。

结论

综上所述，我们开发了一种一步静电纺丝法制备基于MOF的紫色织物。得益于与咪唑配体和Co-N配位框架相关的丰富的红外活性振动模式，引入的MOF赋予织物高达96.4%的中红外发射率。同时，与ZnO纳米颗粒的协同散射将平均太阳反射率提高到87.6%（可见光90.1%，近红外90.7%）。因此，与标准白色棉和商业染色织物相比，优化的紫色凉爽织物（TZM 1）分别实现了4.2摄氏度和6.2摄氏度的温度降低。除了有效的凉爽之外，该织物结合了良好的柔韧性和透气性以及疏水表面特性，使其适合于可穿戴应用。（例如，具有棕色的HKUST-1（Cu）和具有青色的M0 F-74（Ni）），TZM 1织物为开发CRC织物提供了可行的途径。这项工作提供了一个有前途的策略，将美学着色与辐射冷却性能相结合，推进下一代可穿戴和节能织物。

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原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.74745