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儀表網 研發快訊】在全球極端氣候頻發、夏季高溫持續增加的情況下，人們在戶外活動、作業均面臨著高溫威脅。因此，熱防護是保障極端環境下作業人員生命安全與健康的關鍵技術。氣凝膠因優異的隔熱性能和極低的密度，成為實現極端環境熱防護及輕量化的理想材料。
此前，針對極端環境熱防護而發展的復合材料在綜合性能方面表現出色，但在極端高溫環境下的降溫效果存在局限性，無法滿足長時間高溫暴曬下的降溫需求。
液態水因高蒸發焓、較低的沸點、高冷卻功率及綠色可再生的特性，在工業和電子設備冷卻領域廣泛應用。而液態水在室溫下的流動狀態限制了其可穿戴應用。近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員王錦和李清文等，聯合香港中文大學教授龍祎團隊，設計并制備出輕質的多級孔水凝膠(HPHG)。研究發現，HPHG通過多級孔結構，實現了極端高溫環境下比傳統最優輻射制冷材料更好的制冷效果；同時，HPHG實現了大面積制備與服裝穿戴，在直射陽光下HPHG的表面溫度可比環境溫度低22.5°C且冷卻時間可達15小時。進一步，研究將HPHG制成一款輕量化冷卻背心。這款背心重量不足350克，且穿戴后人體皮膚溫度平均可比空氣溫度低11°C。在制作過程中，科研人員將超疏水二氧化硅氣凝膠(SHBSA)分散在聚乙烯醇水凝膠中，經過反復凍融操作制備出HPHG(厚度僅為毫米級)。HPHG具有低密度、優異的力學性能等特征，適合大規模生產，并能夠制作成輕質且具有一定力學強度無源降溫服裝。
研究顯示，經過反復凍融操作，HPHG形成了多級孔結構。SHBSA使HPHG從高度透明變為白色不透明，而多級孔結構增加了入射太陽光的總散射效率。由于Si-O-Si鍵在7-14 µm范圍內有強烈吸收，與8-13 µm的大氣透明窗口重疊，而在可見光范圍內幾乎沒有吸收，因此多級孔結構增加了HPHG的太陽光反射率，避免了高太陽光能量的吸收。
進一步，X射線顯微斷層掃描驗證了SHBSA聚集體在HPHG內均勻分散以及多級孔結構，這與掃描電鏡結果一致。由于水分子與水凝膠網絡的相互作用，多級孔水凝膠10(HPHG10)和復合水凝膠10(HHG10)的蒸發焓比純水蒸發焓低，但HPHG10蒸發焓較HHG10提高了25.2%且蒸發速率降低了20%。蒸發焓的增加和蒸發速率的降低可歸因于分級多孔結構中的大孔。研究發現，利用COMSOL Multiphysics軟件模擬純水、HHG10和HPHG10在太陽輻射下的變化，可以得出在時間尺度上它們內部的溫度分布以及相應的蒸發速率。
在戶外測試中，該團隊采用了無對流和有對流兩種測試方法。結果表明，HPHG在封閉條件下比傳統最優輻射降溫材料具有更好的冷卻效果，最高比空腔內環境溫度降低22.4℃，平均和空腔內環境的溫差達15.9°C。在吐魯番45°C的極端高溫環境下暴曬，與空氣溫度相比，HPHG的平均冷卻效果達到8.9°C，最高降溫可達14.7°C，而傳統最優的輻射制冷材料基本喪失了冷卻能力。在多云天氣有對流的測試條件下，HPHG可持續15小時降溫。
科研人員將HPHG10與傳統商業棉織物結合制成背心，并在炎熱夏季進行1小時實驗。熱成像儀顯示，1小時后，HPHG10溫度比棉背心低2.8°C，且HPHG10與人體皮膚間溫度維持在舒適的36°C。除了可穿戴冷卻性能出色，HPHG10還可用于空間冷卻，如汽車被動日間冷卻。在約2小時陽光直射實驗中，HPHG10覆蓋的汽車模型內部最高溫度分別比無覆蓋和棉覆蓋的汽車模型低32.1°C和21.1°C。在庫木塔格沙漠，HPHG可以將沙子的表面溫度降低29.7°C。
HPHG的分級多孔結構實現了高效持久的蒸發冷卻，調節了蒸發速率和蒸發焓。高含水量、高孔隙率的HPHG具有低密度、優異的機械性能和疏水性，為極端高溫的可穿戴無源被動降溫提供了新策略，并為解決戶外極端高溫熱環境下的被動冷卻提供了新方法。
相關研究成果以Lightweight and hierarchically porous hydrogels for wearable passive cooling under extreme heat stress為題，發表在《物質》(Matter)上。研究工作得到國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金的支持。
多級孔水凝膠作為穿戴背心以及冷卻裝置的實際應用
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