天然纤维素基日间被动辐射制冷材料的制备及应用研究

作     者：袁帅霞 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：易玲敏

授予年度：2022年

学科分类：082903[工学-林产化学加工工程] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：木纤维 红麻纤维 孔道结构 日间被动辐射制冷 个人热管理 

摘      要：日间被动辐射制冷(PDRC)材料因无需能量输入且无温室气体排放,便可将热量从大气窗口发射到外太空而自发冷却的特点引起关注。PDRC在节能环保和个人热管理领域具有巨大应用潜力。相比于成本高、制备复杂的光子结构和易团聚、牢度差的粒子材料,多孔结构因可利用空气孔的光散射效果就能实现高反射的特点而备受关注。在具有高反射的基础上,PDRC要求材料还需同时具备红外大气窗口范围内(8～13μm)的高发射率。研究发现,纤维素处于1060 cm左右的C-O-C振动峰恰好处于大气窗口范围内,使其具有天然辐射性能。因此,基于纤维素材料的结构特性,开展纤维素基PDRC材料的制备与性能研究,既可结合碳中和的时代主题,又可为生物质资源的利用提供新的方向。基于此,本文以生物质资源木屑和红麻为原料,去除对太阳光有较强吸收的木质素,保留原料本身的孔道结构,利用多层次结构的纤维素材料来实现太阳光范围内的高反射,结合纤维素C-O-C振动峰赋予的辐射性能,制备一系列具有优良PDRC性能的天然纤维素基降温材料。主要研究结果如下:首先,以木屑为原料,利用去木质溶液Na OH/NaSO和漂白溶液来去除木质素,采用悬涂法来制备木纤维膜。通过调控去木质溶液Na OH/NaSO的浓度及处理时间,结合形貌结构分析和光谱性能考察来确定较优工艺,并考察厚度等因素对木纤维膜光谱性能的影响。结果显示,制备得到的木纤维膜表面呈现具有一定纵横比的片状结构,孔隙率比原木屑有所增加,较优条件下的木纤维膜其平均反射率达82.6%,平均发射率达99.0%。户外降温测试结果显示,对比原木屑,木纤维膜可实现降温6～10℃,具有良好的降温效果。此外,疏水改后的木纤维膜具有良好的疏水性能,其水接触角达134.0°,可排斥多种常见液体,具有较好的拒污性能,且可重复使用。其次,以红麻为原料,在其天然辐射性能的基础上,利用麻的孔道与纤维素多级结构来实现低导热和高反射性能。红麻原料通过去木质素、漂白后,获得了外观白色的麻纤维。对所得麻纤维进行结构和元素分析,发现木质素已去除,且纤维素晶型结构无明显变化。随之,通过无序堆叠的方法,在不同的干燥条件下获得了麻纤维膜,并通过分析微观形貌和光谱性能得到较优制备条件。利用扫描电镜观察,发现麻纤维呈现出明显的中空结构,麻纤维的表面变得相对光滑且存在较多纳米级槽状结构和与孔道相连的裂缝。光谱性能分析结果显示,麻纤维膜具有97.9%的发射率和91.3%的反射率。户外降温测试结果发现,麻纤维膜对比红麻原料能降温约6～10℃。通过计算发现,当麻纤维膜表面温度与环境温度相同且为300 K时,理论冷却功率在日间和夜间条件下分别为47.2和125.6 W·m;当非辐射传热系数为0 W·m·K时,最大冷却温度ΔT依次对应为-11.38℃和-30.31℃。最后,通过手工编织的手段将上述所得白色麻纤维制备成柔性麻纤维织物,并将其应用于个人热管理。通过结构和光谱性能分析,麻纤维织物具有明显的中空结构、一定的柔软性和拉伸强度,其太阳光反射率和红外反射率分别为88.1%和98.3%。麻纤维织物能在户外环境下降温6～7℃,在人体皮肤上可降温3～5oC,并具有可观的理论冷却功率。以上结果表明,所得麻纤维织物具有潜在的实际PDRC应用价值。