【
仪表网 研发快讯】在全球极端气候频发、夏季高温持续增加的情况下，人们在户外活动、作业均面临着高温威胁。因此，热防护是保障极端环境下作业人员生命安全与健康的关键技术。气凝胶因优异的隔热性能和极低的密度，成为实现极端环境热防护及轻量化的理想材料。
此前，针对极端环境热防护而发展的复合材料在综合性能方面表现出色，但在极端高温环境下的降温效果存在局限性，无法满足长时间高温暴晒下的降温需求。
液态水因高蒸发焓、较低的沸点、高冷却功率及绿色可再生的特性，在工业和电子设备冷却领域广泛应用。而液态水在室温下的流动状态限制了其可穿戴应用。近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员王锦和李清文等，联合香港中文大学教授龙祎团队，设计并制备出轻质的多级孔水凝胶(HPHG)。研究发现，HPHG通过多级孔结构，实现了极端高温环境下比传统最优辐射制冷材料更好的制冷效果；同时，HPHG实现了大面积制备与服装穿戴，在直射阳光下HPHG的表面温度可比环境温度低22.5°C且冷却时间可达15小时。进一步，研究将HPHG制成一款轻量化冷却背心。这款背心重量不足350克，且穿戴后人体皮肤温度平均可比空气温度低11°C。在制作过程中，科研人员将超疏水二氧化硅气凝胶(SHBSA)分散在聚乙烯醇水凝胶中，经过反复冻融操作制备出HPHG(厚度仅为毫米级)。HPHG具有低密度、优异的力学性能等特征，适合大规模生产，并能够制作成轻质且具有一定力学强度无源降温服装。
研究显示，经过反复冻融操作，HPHG形成了多级孔结构。SHBSA使HPHG从高度透明变为白色不透明，而多级孔结构增加了入射太阳光的总散射效率。由于Si-O-Si键在7-14 µm范围内有强烈吸收，与8-13 µm的大气透明窗口重叠，而在可见光范围内几乎没有吸收，因此多级孔结构增加了HPHG的太阳光反射率，避免了高太阳光能量的吸收。
进一步，X射线显微断层扫描验证了SHBSA聚集体在HPHG内均匀分散以及多级孔结构，这与扫描电镜结果一致。由于水分子与水凝胶网络的相互作用，多级孔水凝胶10(HPHG10)和复合水凝胶10(HHG10)的蒸发焓比纯水蒸发焓低，但HPHG10蒸发焓较HHG10提高了25.2%且蒸发速率降低了20%。蒸发焓的增加和蒸发速率的降低可归因于分级多孔结构中的大孔。研究发现，利用COMSOL Multiphysics软件模拟纯水、HHG10和HPHG10在太阳辐射下的变化，可以得出在时间尺度上它们内部的温度分布以及相应的蒸发速率。
在户外测试中，该团队采用了无对流和有对流两种测试方法。结果表明，HPHG在封闭条件下比传统最优辐射降温材料具有更好的冷却效果，最高比空腔内环境温度降低22.4℃，平均和空腔内环境的温差达15.9°C。在吐鲁番45°C的极端高温环境下暴晒，与空气温度相比，HPHG的平均冷却效果达到8.9°C，最高降温可达14.7°C，而传统最优的辐射制冷材料基本丧失了冷却能力。在多云天气有对流的测试条件下，HPHG可持续15小时降温。
科研人员将HPHG10与传统商业棉织物结合制成背心，并在炎热夏季进行1小时实验。热成像仪显示，1小时后，HPHG10温度比棉背心低2.8°C，且HPHG10与人体皮肤间温度维持在舒适的36°C。除了可穿戴冷却性能出色，HPHG10还可用于空间冷却，如汽车被动日间冷却。在约2小时阳光直射实验中，HPHG10覆盖的汽车模型内部最高温度分别比无覆盖和棉覆盖的汽车模型低32.1°C和21.1°C。在库木塔格沙漠，HPHG可以将沙子的表面温度降低29.7°C。
HPHG的分级多孔结构实现了高效持久的蒸发冷却，调节了蒸发速率和蒸发焓。高含水量、高孔隙率的HPHG具有低密度、优异的机械性能和疏水性，为极端高温的可穿戴无源被动降温提供了新策略，并为解决户外极端高温热环境下的被动冷却提供了新方法。
相关研究成果以Lightweight and hierarchically porous hydrogels for wearable passive cooling under extreme heat stress为题，发表在《物质》(Matter)上。研究工作得到国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的支持。
多级孔水凝胶作为穿戴背心以及冷却装置的实际应用
本站客户服务
仪表网官微
仪表APP
仪表手机版
仪表小程序
