CN115652463B - 一种聚甲醛纤维在室内和室外环境人体辐射制冷中的应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种聚甲醛纤维在室内和室外环境人体辐射制冷中的应用。所述聚甲醛纤维的直径分布在200nm至2500nm。通过静电纺丝、熔融纺丝、湿法纺丝、凝胶纺丝等多种纺丝方法得到的聚甲醛纤维还兼具高强度、高柔性等优点，制备过程具有：操作简便，设备简单，可实现材料微观结构的精细调控，易于大规模拓展等优点。
Description
技术领域
本文涉及但不限于新能源纳米材料，尤其涉及但不限于一种新型聚合物基无源辐射制冷材料。
背景技术
当前人类生产生活中排放出大量的温室气体并产生了大量废热，造成地球温度的急剧升高，使得近年来极端气候不断出现，生态平衡恶化和能源危机也愈加严重，这些都严重威胁着人类的生存。在炎热的季节或地区，为了保证人体的舒适和健康，需要大规模使用空调等耗能设备来辅助降温(尤其是在大城市)，这消耗了全球～15％电能，加剧了上述环境和能源危机。
辐射制冷(radiativecooling)是一种通过热辐射来向冷源(如：室内环境或寒冷外太空)发射热量以实现降温的被动制冷技术。该制冷过程无需消耗任何地球能源且不会产生任何废热，是解决当前严重全球变暖问题最有希望的节能途径之一。特别地，该技术在人体热管理方面具有巨大的应用潜力，这是因为热辐射是人体的主要散热方式(其他散热方式包括：排汗、热对流、热传导)，占比达到40％至60％。
目前已经开发出了一系列辐射制冷材料用于人体降温。可以将之分为两类：1)透射型辐射制冷材料，用于室内人体降温；2)发射型辐射制冷材料，用于室外人体辐射制冷。其中，透射型辐射制冷材料指的是对人体热辐射(对应中红外MIR波段)透明的材料，即人体可以将热量通过该类材料直接发散到周围较低温的环境(通常指室内环境)来实现降温，如聚乙烯(PE)纤维。而对于发射型材料，指的是对人体辐射完全吸收/发射的一类辐射制冷材料。该类材料可以作为人体热辐射的“中继站”，先将之吸收，然后发射到周围环境或寒冷的外太空，从而实现人体制冷。由于该类材料可以将热量通过大气透明窗口(8μm至13μm)直接发射到外太空且具有高的太阳发射率，因此可以在强阳光直射下的室外环境中实现低于环境温度的制冷效果。由于室外的制冷需求比室内更大，发射型材料是目前研究最多的一类辐射制冷材料。当前已报道的发射型辐射制冷材料包括无机光子晶体(如：Al2O3、TiO2和SiO2等)、有机高分子材料(如：PVDF、PMMA、PDMS、纤维素和PEO等)、以及两者的复合材料(如：TiO2-聚乳酸、Al2O3-蚕丝等)。
然而，现有的辐射制冷材料无法同时实现人体在室内和室外环境中的降温。对于透射型材料来说，为了保证对人体辐射的高透过率，需要足够薄的厚度(＜150μm)，导致此类材料的太阳发射率很低，使其在室外使用时无法排除来自太阳的热负载而无法实现人体降温，因此无法用于室外环境；对于发射型材料而言，当此类材料在室内使用时，无法利用大气窗口与外太空进行热交换，且部分热量被发射型材料吸收后又反射回人体，导致其低的散热效率，因此不利于室内人体降温。
由于日常生活和工作往往需要不定时地穿梭在的室内和室外环境之间，因此，有必要开发兼具室内和室外降温的人体辐射制冷材料。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本申请提供了一种可以同时在室内和室外环境中实现人体辐射制冷用途的聚甲醛(polyoxymethylene,POM)纤维。
一种聚甲醛纤维在室内和室外环境人体辐射制冷中的应用，所述聚甲醛纤维的直径分布在200nm至2500nm；
所述聚甲醛纤维同时在室内和室外环境中通过无源辐射制冷效应实现零耗能人体降温。
在本申请提供的一种实施方式中，聚甲醛纤维的平均直径约500nm；聚甲醛纤维中的聚甲醛为高结晶度的均聚物。
在本申请提供的一种实施方式中，所述聚甲醛纤维中的聚甲醛分子量为2000至200000、所述聚甲醛的熔点为140℃至190℃。
在本申请提供的一种实施方式中，所述聚甲醛纤维用于防晒服、医用防护服和野外作业服中的任意一种或更多种。
在本申请提供的一种实施方式中，所述的聚甲醛纤维的制备方法，包括：
使用极性溶剂配置聚甲醛溶液，将所述聚甲醛溶液纺丝制备得到聚甲醛纤维；
所述聚甲醛和所述极性溶剂的重量比为(0.001至100):(0.1至10000)；
所述聚甲醛溶液在10℃至150℃下搅拌均匀。
在本申请提供的一种实施方式中，所述聚甲醛和所述极性溶剂的重量比为(0.1至50):(5至1000)。
在本申请提供的一种实施方式中，所述聚甲醛和所述极性溶剂的重量比为(0.3至10):(10至100)。
在本申请提供的一种实施方式中，所述极性溶剂选自二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇中的任意一种或更多种。
在本申请提供的一种实施方式中，所述纺丝的方法选自静电纺丝、熔融纺丝、湿法纺丝和凝胶纺丝中的任意一种或更多种。
在本申请提供的一种实施方式中，所述静电纺丝中的电压为1KV至100KV，进液速度为0.1ml/h至100ml/h，所述静电纺丝过程中的环境湿度为10％至90％，环境温度为10℃至100℃，正负极间距为1cm至100cm，负极滚轮的转速是50rpm至1000rpm。
在本申请提供的一种实施方式中，所述静电纺丝中的电压为2KV至30KV，进液速度为0.1ml/h至10ml/h，所述静电纺丝过程中的环境湿度为10％至80％，环境温度为10℃至40℃，正负极间距为5cm至30cm，负极滚轮的转速是50rpm至500rpm。
在本申请提供的一种实施方式中，所述聚甲醛纤维的制备方法包括：
(1)配POM溶液：将聚甲醛原料加到极性溶剂中，保持在一定温度下搅拌，得到均匀的POM溶液(0.01wt％至50wt％)。
(2)POM纤维膜的制备：将步骤(1)所得的POM溶液加到注射器中，使用不锈钢针头，进行静电纺丝，使用金属箔(铜、铝、钛等)收集POM纤维。纺丝得到的纤维膜可以直接使用。
(3)POM纤维衣服的制备：将步骤(2)所得的POM纤维膜通过剪裁、热压等方式加工成防护服、防晒服等。
又一方面，本申请提供了一种用于室内和室外环境中人体辐射制冷的服装，所述服装包括聚甲醛纤维，所述聚甲醛纤维的直径分布在200nm至2500nm；
在本申请提供的一种实施方式中，所述聚甲醛纤维中的聚甲醛分子量为2000至200000、所述聚甲醛的熔点为140℃至190℃。
本申请的有益效果在于：本申请首次提出并且证明了POM纤维的辐射制冷性能，且具有选择性发射-透射特性。本申请提供的材料选择性地在大气透明窗口波段(8μm至13μm)内呈现高热发射率，对人体辐射呈现高透过率，因此具有独特的选择性发射-透射特性，并且本申请提供的材料高太阳辐射反射率。该材料的高选择性发射率和高太阳反射率使其在室外具有最优的辐射制冷性能，最小化了来自太阳的热负载；同时，其高人体辐射透射率也保证了其在室内环境中的具有高的人体散热性能，本申请提供的材料即使是在室内，接近于目前的“透射型”辐射制冷材料。因此，本申请提供的技术方案首次实现单一材料在室内和室外多场景下的人体辐射制冷，可以同时通过“发射”和“透过”两种方式来实现人体降温，因此具有高于目前常用的“发射型”辐射制冷材料，为个人热管理提供了新方案。静电纺丝后获得的聚甲醛纤维具有高强度、高柔性、高人体降温功效等优点，制备过程具有：操作简便，设备简单，可实现材料微观结构的精细调控和定制，易于大规模拓展等优点。聚甲醛原料成本低且已经实现大规模制备，原料很容易获得，具有大规模制备的潜力。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来发明实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为实施例1所制备的POM纤维薄膜的宏观照片和扫描电子显微镜照片；
图2为实施例1所制备的POM纤维薄膜的光谱响应(包括太阳反射率、中红外发射率和中红外透射率)；
图3为基于图1的所述POM纤维薄膜的防护服的宏观照片。
图4为图3所述防护服在室外场景下，两侧胸口位置的皮肤温度随时间的变化曲线。
图5为图3所述防护服在室内场景下，两侧胸口位置的皮肤温度随时间的变化曲线。
图6为图3所述防护服在室内和室外场景下，半个小时测试时间内，两侧胸口位置的红外照片。
图3、图4和图5中的POM为实施例1制备得到的POM纤维薄膜，其中的Commercial为购买自青岛海诺生物工程有限公司海氏海诺牌号的防护服，其材质为50％聚丙烯无纺布+50％聚乙烯。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在本申请实施例中POM颗粒购买自上海麦克林生化科技股份有限公司，麦克林牌号。
实施例1
(1)配POM溶液：将POM颗粒(1g)加到剧烈搅拌的1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(30g)溶剂中，保持40℃搅拌3h，得到均匀的POM溶液。
(2)POM纤维膜的制备：将步骤(1)所得的POM溶液加到注射器中，使用不锈钢针头，进行静电纺丝，使用铝箔收集POM纤维。纺丝过程的电压为18KV，进液速度为2ml/h，湿度为45％，温度为25℃，正负极之间的距离为18cm，负极滚轮的转速是150rpm。将纺丝得到的纤维膜从铝箔上取下直接使用，其宏观和微观照片如图1所示。光谱响应如图2所示。
所述聚甲醛纤维的直径分布为300nm至1500nm；
所述聚甲醛纤维的分子量为10000至200000，所述聚甲醛纤维的熔点为140℃至190℃；
(3)POM纤维基防护服的制备：将步骤(2)所得的POM纤维膜缝入预先购买的商品防护服骨架的一侧胸口位置，相应位置的布料被剪除，保留另一侧胸口位置的商品防护服布料作为对照，如图3所示。两侧相应的皮肤温度对比如图4(室外)和图5(室内)所示。两侧相应的红外照片对比如图6所示。
实施例2
(1)配POM溶液：将POM颗粒(3g)加到剧烈搅拌的1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(25g)溶剂中，保持40℃搅拌30h，得到均匀的POM溶液。
(2)POM纤维膜的制备：将步骤(1)所得的POM溶液加到注射器中，使用不锈钢针头，进行静电纺丝，使用铝箔收集POM纤维。纺丝过程的电压为18KV，进液速度为10ml/h，湿度为65％，温度为35℃，正负极之间的距离为18cm，负极滚轮的转速是150rpm。将纺丝得到的纤维膜(例如图1所示)从铝箔上取下直接使用。
所述聚甲醛纤维的直径分布为300nm至1500nm；
所述聚甲醛纤维的分子量为10000至200000，所述聚甲醛纤维的熔点为140℃至190℃；
(3)POM纤维基防护服的制备：将步骤(2)所得的POM纤维膜通过剪裁、热压等方式加工成防护服(例如图3所示)、防晒服等。
实施例3
(1)配POM溶液：将POM颗粒(10g)加到剧烈搅拌的1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP，60g)溶剂中，保持100℃搅拌0.5h，得到均匀的POM溶液。
(2)POM纤维膜的制备：将步骤(1)所得的POM溶液加到注射器中，使用不锈钢针头，进行静电纺丝，使用铝箔收集POM纤维。纺丝过程的电压为30KV，进液速度为10ml/h，湿度为45％，温度为45℃，正负极之间的距离为10cm，负极滚轮的转速是500rpm。将纺丝得到的纤维膜(例如图1所示)从铝箔上取下直接使用。
所述聚甲醛纤维的直径分布为300nm至1500nm；
所述聚甲醛纤维的分子量为10000至200000，所述聚甲醛纤维的熔点为140℃至190℃；
(3)POM纤维基防护服的制备：将步骤(2)所得的POM纤维膜通过剪裁、热压等方式加工成防护服(例如图3所示)、防晒服等。
实施例4
(1)配POM溶液：将POM颗粒(20g)加到剧烈搅拌的1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP，100g)溶剂中，保持50℃搅拌0.5h，得到均匀的POM溶液。
(2)POM纤维膜的制备：将步骤(1)所得的POM溶液加到注射器中，使用不锈钢针头，进行静电纺丝，使用铝箔收集POM纤维。纺丝过程的电压为30KV，进液速度为10ml/h，湿度为45％，温度为45℃，正负极之间的距离为18cm，负极滚轮的转速是100rpm。将纺丝得到的纤维膜(例如图1所示)从铝箔上取下直接使用。
所述聚甲醛纤维的直径分布为300至1500nm；
所述聚甲醛纤维的分子量为10000至200000，所述聚甲醛纤维的熔点为140℃至190℃；
(3)POM纤维基防护服的制备：将步骤(2)所得的POM纤维膜通过剪裁、热压等方式加工成防护服(例如图3所示)、防晒服等。
本申请提供的新型辐射制冷材料可以同时用于室内和室外，是新型辐射制冷材料的多场景应用；现有辐射制冷材料仅仅用于室外，与现有辐射制冷材料两者是不同种类的辐射制冷材料；光谱曲线(图2)可以最本质的反映与现有辐射制冷材料的不同。
Claims (13)
1.一种聚甲醛纤维在室内和室外环境人体辐射制冷中的应用，其特征在于，所述聚甲醛纤维的直径分布在200nm至2500nm。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述聚甲醛纤维中的聚甲醛分子量为2000至200000、所述聚甲醛的熔点为140℃至190℃。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述聚甲醛纤维用于防晒服、医用防护服和野外作业服中的任意一种或更多种。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述聚甲醛纤维的制备方法，包括：
使用极性溶剂配置聚甲醛溶液，将所述聚甲醛溶液纺丝制备得到聚甲醛纤维。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述聚甲醛和所述极性溶剂的重量比为(0.001至100):(0.1至10000)。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述聚甲醛溶液在10℃至150℃下搅拌均匀。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述聚甲醛和所述极性溶剂的重量比为(0.1至50):(5至1000)。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述聚甲醛和所述极性溶剂的重量比为(0.3至10):(10至100)。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的应用，其特征在于，所述极性溶剂选自二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮和1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇中的任意一种或更多种。
10.根据权利要求4至8中任一项所述的应用，其特征在于，所述纺丝的方法选自静电纺丝、熔融纺丝、湿法纺丝和凝胶纺丝中的任意一种或更多种。
11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述静电纺丝中的电压为1KV至100KV，进液速度为0.1ml/h至100ml/h，所述静电纺丝过程中的环境湿度为10％至90％，环境温度为10℃至100℃，正负极间距为1cm至100cm，负极滚轮的转速是50rpm至1000rpm。
12.一种用于室内和室外环境中人体辐射制冷的服装，其特征在于，所述服装包括聚甲醛纤维，所述聚甲醛纤维的直径分布在200nm至2500nm；
所述的聚甲醛纤维的制备方法，包括：
使用极性溶剂配置聚甲醛溶液，将所述聚甲醛溶液纺丝制备得到聚甲醛纤维；
所述聚甲醛和所述极性溶剂的重量比为(0.001至100):(0.1至10000)；
所述聚甲醛溶液在10℃至150℃下搅拌均匀。
13.根据权利要求12所述的用于室内和室外环境中人体辐射制冷的服装，其特征在于，所述聚甲醛纤维中的聚甲醛分子量为2000至200000、所述聚甲醛的熔点为140℃至190℃。
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- 2022-10-18 CN CN202211275881.9A patent/CN115652463B/zh active Active
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