摘要
随着全球变暖加剧，人们对降温需求显著增加。目前广泛采用的降温方法是空调制冷，但该技术需要消耗大量的化石能源，而化石能源的燃烧又会产生温室气体进一步加剧全球变暖，最终导致环境温度恶性循环。因此，发展无排放、无能耗的制冷技术在能源结构低碳化时代具有重要意义。 近年来，被动辐射冷却技术因不需要能源输入、仅依靠大气窗口便可将地表热量以红外辐射的形式发送到天然冷源外太空实现降温，且材料轻便、结构多样，从而引起广大学者的关注。尽管各种涂刷类、浇铸成型类以及纤维类辐射制冷材料取得了重大的研究进展，但依然存在涂刷类材料无法独立使用和浇铸成型类材料可穿戴性差等局限；只有纤维类材料不仅兼具上述两类材料的优点，同时改善了二者的不足。基于此，本文利用静电纺丝技术，构建了串珠结构纳米纤维复合膜，实现了高效的日间辐射制冷，具体开展工作如下： （1）由于材料结构对实现光的反射率极其重要，本章利用 COMSOL Multiphysics软件模拟不同纤维结构对太阳光的散射效率，从理论上探究纤维结构对太阳光散射性能的影响。本章以聚偏氟乙烯（PVDF）和二氧化硅（SiO2）作为模型材料，分别模拟了直线形PVDF纳米纤维（LP）、串珠结构PVDF纳米纤维（BP）、直线形PVDF/SiO2纳米纤维（LPS）和串珠结构 PVDF/SiO2纳米纤维（BPS）4 种结构纤维的太阳光散射率，结果表明：串珠结构形态的附加介电共振在太阳光谱中产生了有利的散射以及PVDF与 SiO2的组合能够增加太阳光的散射次数，因此 BPS纳米纤维显示了最优的太阳光散射效率，散射效率能达到14.29。 （2）基于上述模拟结果，本章通过实验对模拟结果进行验证。利用静电纺丝技术构建LP、BP、LPS和BPS 4种结构的纳米纤维膜，表征了形貌、结构、太阳波段反射率以及中红外波段发射率，并测试了日间和夜间的制冷性能。结果表明：实验结果与理论模拟结果一致，BPS 纳米纤维不仅显示了优异的形貌和结构，而且展示了最佳的日间辐射制冷性能。在此基础上，进一步研究了膜厚对日间辐射制冷性能的影响，结果显示：当膜厚为200 ?m时，BPS纳米纤维膜在太阳光（0.2-2.5 ?m）反射率和中红外（8-13 ?m）发射率达到最大，分别为97.26%和97.38%，能够实现日间降温10℃、夜间降温4.5℃；此外，BPS纳米纤维膜在个人热管理、物体降温、温差发电等方面显示较好的应用能力，能够使得皮肤、汽车、木屋表面温度分别降低 6.1℃、25.8℃、1.4℃，单位面积实现温差发电3.32 V。 （3）得益于BPS纳米纤维的结构优势，本部分利用双喷静电纺丝技术进一步构建了三明治结构纳米纤维复合膜（SBPS），表征了形貌、结构、太阳光反射率以及中红外发射率，测试了日间辐射制冷性能、稳定性能和防晒性能，并研究了其在空气取水上的应用效果。结果表明：SBPS 纳米纤维复合膜显示了优异的三层形貌结构和力学应用性能；当上、中、下三层膜厚度分别为200 um、100 um、50 um，大粒径光子推注速度为25 mL/h，该膜在纳米纤维太阳波段内的反射率最高达97.8%、在中红外波段内的发射率最高达 98.7%，且在相同天气条件下，比 BPS 纳米纤维膜的日间降温提高了9.9℃，夜间降温提高了 1.3℃；进一步经酸、碱和紫外照射处理后，纤维膜依然维持较好的日间和夜间降温性能；同时，SBPS 纳米纤维复合膜还具有卓越的防紫外线性能，其UPF＞50，T(UVA)AV为1.76%，显著优于防紫外线的国家标准；此外，相较BPS纳米纤维膜，SBPS 纳米纤维复合膜在个人热管理、物体降温、温差发电、空气取水方面也显示更加优异的应用性能，能够使皮肤、汽车、木屋表面温度降低 9℃、28.5℃、4.0℃，单位面积产生4.08 V电量，实现200 g/(m2*h)水收集。
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