通过静电纺丝技术制备的层次结构纺织品，实现协同热绝缘与辐射冷却效果

《Composites Communications》：Hierarchically Structured Textiles Engineered via Electrospinning for Synergistic Thermal Insulation and Radiative Cooling

通过电喷雾和电纺技术制备双层复合织物，底层为SiO?/PU/SCA涂层提供热绝缘，顶层为PVDF-HFP/ZrO?纤维网络实现辐射冷却，在50℃和100℃下分别实现16.9℃和38.6℃的表面温差，兼具高反射、低导热及透气性，有效解决传统户外防护装备热管理矛盾。

　　

张晓娴|张长云|陈芳芳|闫梦杰|吴虹|李天星子|魏晓晓|张青玲|张振芳|周凤蕾|刘成坤

西安理工大学纺织科学与工程学院，中国西安710048

摘要

随着户外防护装备中对人体热管理需求的增加，开发兼具高隔热性能和辐射冷却功能的织物已成为研究重点。然而，现有技术往往难以在性能、耐用性、舒适性和工艺可行性之间取得平衡。本文设计了一种基于聚酯基底的复合织物，其具有独特的两层结构：底层为静电喷涂的SiO₂/PU/SCA复合材料，作为隔热层；顶层为静电纺制的PVDF-HFP/ZrO₂纤维网络，作为高效的辐射冷却层。测试结果显示，在50°C和100°C的热板条件下，该织物的表面温差分别为16.9°C和38.6°C，表现出优异的隔热性能。在室内辐射冷却实验中，其表面温度比环境温度低7.2°C；在冬季户外条件下，实现了2.5°C的降温效果，证实了其显著的辐射冷却效果。此外，该织物还具有良好的复合强度、柔韧性和透气性。这种设计在实现双重热管理功能的同时，确保了穿着舒适性，为开发高性能、舒适且实用的户外防护织物提供了可行的途径。

引言

热管理织物主要通过反射、吸收或阻断热传导来实现温度控制。传统热管理织物通常依赖厚纤维层或添加低导热性的填充物（如二氧化硅SiO₂或聚氨酯PU泡沫）来抑制热传导和对流，从而减少热量交换[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7]。例如，有研究采用刮刀涂层方法制备了SiO₂气凝胶复合材料，有效降低了织物的内外表面温度[8]；另一种方法是将石墨烯机械发泡到PU泡沫中，以降低涂层的导热性[9]。另一方面，辐射冷却织物通过使用高发射率的纳米颗粒（如TiO₂和ZnO）来增强红外辐射的散发[10],[11],[12],[13],[14]。例如，将TiO₂掺入聚偏二氟乙烯（PVDF）纤维中可实现近6.9°C的日间降温效果[15]；而在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基复合膜中添加SiO₂纳米颗粒可达到超过90%的反射率和发射率[16]。然而，这些传统方法通常存在织物笨重、透气性差、耐用性不足以及制造工艺复杂等问题，限制了其实际应用。近年来，研究人员开始探索结合隔热和辐射冷却功能的复合织物。例如，有研究借鉴仙人掌的结构，设计了ZrO₂/聚四氟乙烯（PTFE）气凝胶和氢凝胶的双层结构，实现了高反射率、高发射率和低导热性的结合[17]；另一团队利用同轴静电纺丝技术制备了六方氮化硼（h-BN）/SiO₂核壳纳米纤维膜，兼具优异的隔热和辐射冷却性能[18]。然而，现有策略往往依赖于异质材料堆叠或复杂的结构设计，导致织物柔韧性降低、成本增加，并忽视了穿着舒适性，难以满足实际穿戴需求。

为进一步探索这些问题的解决方案，本研究提出了一种结合静电喷涂和静电纺丝的新复合织物制备方法。通过这种工艺集成技术，开发出同时具备隔热、辐射冷却和机械耐用性的多层织物。首先，将SCA引入PU基体中，在SiO₂气凝胶和织物基底之间形成三维互连的锚定网络，有效固定气凝胶颗粒于织物表面，提高涂层附着力和洗涤稳定性，同时保持气凝胶的纳米多孔结构，从而兼顾隔热性和透气性。其次，通过静电纺丝将ZrO₂纳米颗粒掺入聚偏二氟乙烯-六氟丙烷（PVDF-HFP）中，构建有机-无机杂化纳米纤维网络，使陶瓷颗粒均匀嵌入并被聚合物纤维包裹，抑制颗粒聚集，实现PVDF-HFP的高中红外发射率与ZrO₂的低导热性和强红外散射能力的互补结合，从而在大气窗口（8–13 μm）范围内提升辐射冷却性能。最后，通过“基底织物–静电喷涂隔热层–静电纺丝冷却层”的结构设计，实现协同的热管理、辐射冷却、疏水性和机械强度，同时不牺牲柔韧性和透气性。这种结构驱动的集成方法为解决功能性冷却-隔热织物中的热性能与舒适性之间的长期矛盾提供了实用途径。

材料

本研究使用的材料及其来源如下：聚氨酯（PU，Mw = 70,000）购自上海 Huntsman 聚氨酯有限公司；正硅酸四乙酯（TEOS，AR级，99.9%）和氨水溶液（NH₃·H₂O，25%–28%）由天津大茂化学试剂厂提供；无水乙醇（EtOH，99.8%）、二氧化锆（ZrO₂，400 nm）和丙酮（AR级，98%）由天津富宇精细化工有限公司提供；草酸（C₂H₂O₄，99%）、正己烷（AR级，99.8%）等也来自该厂。

SiO₂气凝胶和SiO₂/PU/SCA复合涂层织物的性能

图2a显示制备的SiO₂气凝胶具有类似珊瑚的粗糙骨架结构，由疏松的三维网络构成。图2b中的N₂吸附-解吸等温线呈现IV型等温线并伴有H1滞后环，表明SiO₂气凝胶具有高度有序的中孔结构。图2c显示了该气凝胶的孔径分布曲线，孔径主要集中在5–50 nm范围内，峰值位于10–20 nm。

结论

本研究采用TEOS作为硅源前驱体，通过溶胶-凝胶法和空气干燥法制备了疏水性SiO₂气凝胶，并利用静电喷涂技术制备了SiO₂/PU/SCA涂层织物。当PU含量为12 wt%、SiO₂气凝胶含量为10 wt%且喷涂时间为3小时时，获得了最佳隔热性能。该织物的表面温差为9.5°C。

作者贡献声明

陈芳芳：实验研究。张长云：初稿撰写、审稿与编辑、可视化设计、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。刘成坤：项目管理。周凤蕾：监督工作。张振芳：审稿与编辑。张青玲：资源协调。魏晓晓：方法论设计。李天星子：资源准备。吴虹：数据分析。闫梦杰：数据分析

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据提供声明

如需，通讯作者可提供本研究过程中生成和/或分析的数据集。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：51503168）和陕西省科技创新计划（项目编号：2025JC-YBMS-434）的财政支持。