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東南大學趙東亮課題組《ACS Nano》：用于極端冷熱環境下人體熱濕管理的分級納米纖維自清潔功能織物

2023-09-20 來源：高分子科技

近年來，全球極端氣候出現頻率逐年上升，嚴重影響人類正常生活。被動輻射熱管理是一種新興的控溫技術，通過調節大氣窗口（8-13μm）波段的熱輻射實現熱調控，該技術在人體熱管理方面具有應用潛力。然而，當前輻射控溫織物存在功能單一和控溫性能差等問題，無法滿足極端環境下的人體熱濕管理需要，因此，有必要設計一種具有多模式的控溫織物用于極端冷熱環境下人體熱濕管理。

近日，東南大學趙東亮教授課題組提出了具有增強隔熱、調控輻射換熱和促進蒸發散熱功能于一體的設計策略，開發了一種分級多孔納米纖維織物并應用于極端環境下人體熱濕管理。該織物主要由輻射冷卻層、隔熱層和輻射加熱層按需構建而成。通過引入具有低熱導率的氣凝膠膜顯著增強了織物的隔熱性能，同時，通過結合高效隔熱和調控輻射換熱分別提高了極熱和寒冷環境下的冷卻和保溫性能。戶外實驗結果表明該織物的冷卻和保溫性能均優于文獻報道的代表性織物。此外，該織物還具有優異的透濕性、透氣性、定向排汗和自清潔性能，使其在極熱和極冷環境下的人體熱濕管理方面具有良好的潛在應用前景。

在該工作中，作者報道了一種用于極端冷熱環境下人體熱濕管理的分級納米纖維（HNF）自清潔織物。首先，經過實驗優化制備多層納米纖維多孔織物（圖1）; 采用冷凍干燥方法巧妙設計多維定向孔道結構木質纖維素氣凝膠膜（LCAM），優化其導熱系數低至0.0366 W·m^?1·K^?1，使其在寒冷環境下減少熱量損失，在炎熱環境下阻隔外界熱量傳遞（圖2）。聚二甲基硅氧烷(PDMS)的引入提高了織物的冷卻性能，并賦予其自清潔性能；優化碳納米管(CNTs)在聚丙烯腈中的含量，調控織物的光熱轉化和輻射加熱達到最佳效果。戶外測試結果表明該織物具有良好的冷卻和保溫性能，且分別優于已報道的代表性織物（圖3）。此外，該織物具有優異的定向排汗、自清潔和抗污性能（圖4）。該工作為輻射控溫織物的被動熱濕管理，尤其是在極端環境下的個人熱管理提供了一條新的研究思路。

圖1. 分級納米纖維（HNF）紡織品的制備與形貌表征：(a) HNF紡織品制備工藝示意圖；(b-d) HNF織物的LCAM層、PVB?PDMS層和PAN-CNT層的SEM圖像。

圖2. 隔熱性能：(a) 木質纖維素氣凝膠膜（LCAM）和棉布在加熱和自然冷卻過程中的紅外圖像；(b)織物的導熱系數，插圖是HNF織物和棉布的傳熱示意圖；(c) LCAM實物圖及其表面和截面的SEM圖像；(d) LCAM和棉布覆蓋在施加功率為3W加熱板上的表面溫度和環境溫度，插圖是LCAM與棉布覆蓋加熱板在不同功率下的溫差；(e) LCAM和棉布覆蓋加熱板在不同功率下的溫度；(f, g)在太陽光模擬器下不同厚度LCAM下表面溫度，插圖是實驗裝置示意圖。

圖3. 戶外熱管理性能：(a)分別為白色棉布和HNF織物覆蓋皮膚模擬器的溫度和皮膚模擬器的溫度、環境溫度以及太陽輻射；(b) HNF織物與其他報道的織物冷卻性能的比較；(c)分別為黑色棉布、PAN-CNTs/黑色棉布和HNF織物覆蓋皮膚模擬器的溫度和皮膚模擬器的溫度、環境溫度以及太陽輻射；(b) HNF織物與其他報道的織物加熱性能的比較。

圖4. 自清潔和定向排汗性能：(a)強酸、中性和強堿條件下PVB和PVB?PDMS層的接觸角；(b)利用灰塵對PVB?PDMS層進行自潔測試；(c)織物的吸汗性能測試，示意圖(左)和棉布和HNF織物吸汗測試 (右)；(d)反重力定向排汗，汗水接觸角隨時間的變化。

該工作以“A Hierarchically Nanofibrous Self-Cleaning Textile for Efficient Personal Thermal Management in Severe Hot and Cold Environments”為題發表于納米領域國際權威期刊《ACS Nano》上。東南大學博士生顧斌為第一作者，東南大學趙東亮教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金等項目的資助。

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c05460

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（責任編輯：xu）

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