研究成果以“Wind-Proof and Moisture Permeability Aerogel-Functionalized Textile as All-Seasonal Passive Thermal Regulators”为题发表在Advanced Functional Materials.
【研究内容】
纺织品作为人体热舒适度的主要保护措施，通过在身体和织物之间形成气隙，以防止热量通过对流和传导散失，从而起到隔热层的作用，不幸的是，在极端条件下往往不够用。虽然目前已经开发了一些智能纺织品用于极端环境下的个人热管理（personal thermal management，PTM），但在面对较大的温度突然波动时会失去作用。本研究设计的AT-PTR由两个光学耦合层组成：由氧化硅气凝胶功能化P(VdF-HFP)纳米纤维制成的冷却层、和由碳纳米管改性棉织物（CNT@cotton）组成的加热层。这种由天然微米级尺寸纤维和柔性聚合物纳米纤维组成的纺织品不仅具有优良的可裁剪性、力学强度，而且可以实现有效的防风透湿性。炎热条件下有效带走人体的汗液，寒冷环境下防止热对流带走人体热量，从而实现目前许多类似的Janus织物难以达到的效果。
图1 AT-PTR总体设计概念
为了实现高性能的PTM，需要解决以下三个问题：首先，由于用于PTM的热调节器的应用场景是在户外环境中，因此它必须表现出可穿戴特性，如可折叠性、机械强度和透气性；其次，对于纺织品，制备过程必须简单且可扩展；最后，得到的热调节器应该不依赖于外部能量（如电场、磁场、机械应力等）。由图1所制备的AT-PTR材料冷却层具有高达94%的太阳反射率和96%的红外发射率，在炎热的夏季产生低于环境温度12.7 °C的冷却效果。加热层太阳能吸收率达到95%，在寒冷的冬季实现了23.2 °C的升温效果。
图2 AT-PTR的被动热调节原理和实际测试效果
通过在乌鲁木齐、吐鲁番库木塔格沙漠、以及苏州等地不同时间段的一系列实验，结果表明AT-PTR具有优异的被动热调节性能。此外，通过传热模型分析的结果也证实了这一点，在夏季，棉织物覆盖的皮肤和裸露的皮肤分别需要271 W/m²和345 W/m²的额外冷却功率，而AT-PTR可以在不需要额外冷却功率的情况下散热。在冬季，被棉织物覆盖的皮肤和裸露的皮肤分别需要 54 W/m² 和 21 W/m² 的额外加热功率，而 AT-PTR 可以在没有额外加热功率的情况下吸收热量。理论计算和实验结果都证实了AT-PTR在室外环境中被动热管理的可行性。
图3 AT-PTR在不同场景和地区的热调节测试，以及不同纺织品覆盖皮肤的能量流动理论分析
对于一些户外运动爱好者来说，尤其是在那些高海拔地区，服装的防风透湿性则是非常重要的。AT-PTR的水蒸气透过率为3788 g/m² 24h，与商品化的天然织物相当，远远大于一些化纤，透气性仅为 25 mm/s，表明AT-PTR具有优异的防风透气性。通过将冷却侧和加热侧缝合到白色棉衬衫上，由志愿者穿着测试，发现冷却表面始终保持在 27.5 °C 左右，而加热表面在 5 min内迅速达到 45 °C。这些结果验证了AT-PTR仅通过逆翻转提供增强PTM的有效性。
图4 AT-PTR的耐候性和耐磨性
本研究开发的AT-PTR显示出被动热管理行为，对极端环境下的无源被动热管理具有重要意义。该工作以“Wind-Proof and Moisture Permeability Aerogel-Functionalized Textile as All-Seasonal Passive Thermal Regulators”为题发表在AFM上。论文第一作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士生刘玲，通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿王锦研究员和李清文研究员。该研究获得了国家自然科学基金重大研究计划项目以及苏州市科技局基础研究试点项目资助。
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