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东华大学王炜教授&俞丹副教授：分层红外光谱工程超级面料，用于缓解城市热岛效应

研究背景

随着全球城市化加速，城市热岛效应（UHI）和全球变暖对公共健康与能源消耗构成严峻挑战。城市建筑材料（如砖、混凝土、玻璃）因低比热容和差太阳反射率，加剧热量积累，导致高温相关疾病风险上升及空调能耗激增。因此，开发低碳、高效、可持续的降温技术成为关键研究方向。

主要内容

近期，东华大学王炜教授&俞丹副教授首次通过不对称静电纺丝技术，设计出一种集成了光谱选择性和宽带特性的分层红外光谱工程超级织物（SEBA），适用于可穿戴领域。其优异的光学和热学特性也使其适用于建筑围护结构改造，有助于提升人体舒适度并缓解城市热岛效应。相关研究内容以“Hierarchical infrared spectral engineered super fabric for mitigating urban heat island”为题目发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

SEBA 的结构与材料设计

分层结构

外层：聚丙烯腈/二氧化硅/氧化铝（PAN/SiO₂/Al₂O₃）复合膜，通过高太阳能反射率（93.76%）抑制太阳辐射吸收，同时具备高大气透明窗（ATW，8-13μm）光谱选择比（1.20）和发射率（0.91），可高效向外界辐射散热。

中间层：电镀铜镍聚酯导电织物（CF），增强红外反射与结构支撑。

内层：聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物/聚乙烯吡咯烷酮/碳化硅（PVDF-HFP/PVP/SiC）复合膜，具有 99% 的宽带高红外发射率，可高效吸收人体辐射热，避免热量积聚。

材料特性

外层通过 SiO₂和 Al₂O₃纳米颗粒的米氏散射提升近红外反射率，优化厚度（0.108 mm）以最大化太阳反射性能。

内层通过 PVDF-HFP 的高红外吸收特性，结合 SiC 纳米颗粒增强对人体热辐射的吸收，厚度（0.107 mm）设计确保完全覆盖中间层，屏蔽其光谱干扰。

性能测试结果

被动日间辐射冷却性能

水平放置：在平均太阳辐照度 504.77 W/m² 下，SEBA 平均温度低于环境温度 3.67℃，最大温差达 6.80℃，显著优于商用白棉布（高于环境温度）和无 SiO₂/Al₂O₃的对照组（显著高于环境温度）。

垂直放置：面对周围环境热辐射时，仍比传统宽带辐射冷却织物低 0.54℃，证明其在复杂城市环境中的适应性。

人体热管理性能

内层 99% 的宽带红外发射率可高效吸收人体辐射热（33℃时峰值波长 9.5μm，44% 能量位于 ATW 波段），避免衣物与皮肤间的热量积累，优化局部微环境。

实用性能

热绝缘性：导热系数约 23 mW・(m・K)⁻¹，有效阻止环境热量反向传递。

透气性与透湿性：空气渗透性较低（减少对流热增益），但透湿性达 6.829 mg・(cm²・h)⁻¹，满足日常穿戴需求。

耐久性：经洗涤、老化和磨损测试后，光谱性能稳定，外层太阳能反射率略有下降但红外发射率基本不变，内层宽带发射率保持稳定。

建筑应用的节能潜力

通过 EnergyPlus 软件模拟，SEBA 应用于 14 个中国城市的建筑围护结构（墙体和屋顶）时，夏季制冷能耗显著降低。例如，杭州和上海的节能率分别达 5.10% 和 5.46%，证明其在大规模建筑应用中的可持续性。

图 1. 用于缓解城市热岛效应的分层红外光谱工程 SEBA 超级织物。（a）将 SEBA 织物应用于建筑外立面，可缓解城市热岛（UHI）效应并降低室内制冷需求。（b）SEBA 织物通过阻挡地面和周围建筑物发出的热辐射来保护穿戴者，同时利用大气透明窗（ATW）辐射实现被动冷却。（c）SEBA 超级织物的制备过程。

图 2. SEBA 超级织物的数码图像及形貌特征。（a）SEBA 超级织物的数码图像。（b）展示其分层结构的 SEBA 超级织物模型示意图。（c）SEBA 超级织物外层的扫描电镜（SEM）图像及（d）纤维直径分布。（e）SEBA 超级织物中间层的扫描电镜（SEM）图像及（f）纤维直径分布。（g）SEBA 超级织物内层的扫描电镜（SEM）图像及（h）纤维直径分布。

图 3. SEBA 超级织物的结构与光谱特性。（a）SEBA 超级织物分层结构示意图。（b）SEBA 超级织物外层的光谱特性。（c）SEBA 超级织物内层的光谱特性。

图 4. 隔绝周围热量输入的 SEBA 超级织物的户外被动日间辐射冷却性能。（a）水平放置的自制装置示意图。（b）该装置的结构示意图。（c）2025 年 1 月 13 日下午测试期间的实时太阳辐射情况。（d）测试期间的实时相对湿度和风速。（e）温度曲线，插图为下午天空状况。（f）温差曲线。

图 5. 受周围热量输入影响的 SEBA 超级织物的户外被动日间辐射冷却性能。（a）垂直放置的自制装置示意图。（b）该装置的结构示意图。（c）2025 年 1 月 15 日下午测试期间的实时太阳辐射情况。（d）温度曲线。（e）温差曲线。（f）SEBA 超级织物对人体皮肤红外热辐射的吸收性能示意图。（g）SEBA 超级织物与商用棉织物对人体皮肤红外热辐射吸收的温度对比曲线。

图 6. SEBA 超级织物的实际性能。（a）SEBA 的热导率。（b）SEBA 的外层和内层在 60℃热板上不同时间的红外图像。（c）放置在 60℃热板上的 SEBA 表面温度随时间变化的曲线。（d）SEBA 的热重曲线。（e）SEBA 的透气性。（f）不含 SiO₂和 Al₂O₃的 SEBA 的透气性。（g）聚酯、尼龙、商用棉织物及 CF 织物的透气性。（h）SEBA 的透湿性。（i）SEBA（外层）的耐久性，包括耐洗涤性、耐老化性和耐磨性。（j）SEBA（内层）的耐久性，包括耐洗涤性、耐老化性和耐磨性。

图 7. 建筑墙体和屋顶应用 SEBA 超级织物后的节能效果。（a）中国 14 个城市夏季区域供冷总能耗。（b）区域供冷的节能量。（c）杭州和上海两座城市的节能量。（d）夏季区域供冷节能惠及中国各地区。

结论

综上所述，该研究采用不对称静电纺丝技术成功制备出一种分层红外光谱工程超级织物。这种织物结合了选择性和宽带红外光谱特性，能够提升人体和建筑的热舒适度，并缓解热岛效应。SEBA 的外层具有高太阳反射率（93.76%），可有效抑制对太阳辐射的吸收，同时具备 1.20 的高大气透明窗光谱选择比和 0.91 的发射率，有助于向外界高效辐射热量。内层具有约 99% 的宽带高红外发射率，能高效吸收人体辐射出的热量，避免热量积聚。通过合理的光谱调控，该织物展现出优异的冷却性能：水平放置时，平均能使温度低于环境温度 3.67℃；垂直放置时，仍优于传统的宽带辐射冷却织物（温差达 0.54℃）。其优异的隔热性能（约 23 mW・(m・K)⁻¹）和气密性为维持亚环境温度的舒适状态提供了保障，且透湿性（6.829 mg・(cm²・h)⁻¹）满足实际穿着需求。EnergyPlus 软件模拟证实，将 SEBA 应用于建筑外立面和屋顶时，具有出色的能效和可持续性。这种可通过溶液加工制备、高性能且可规模化生产的多级红外光谱工程超级织物，为维持个人热舒适和缓解城市热岛效应提供了一种可扩展、可持续的策略。

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