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江南大學王潮霞教授/滑鐵盧大學Yuning Li 教授 ACHM:溫度可視化太陽能面料 - 讓你在冬天保持舒適
2024-12-12  來源:高分子科技

  在冬天的戶外活動中,服裝的保暖性和柔韌性至關重要。柔性可穿戴加熱器在維持人體保暖舒適性方面發揮著關鍵作用。現有的柔性可穿戴加熱器大多需要依靠外部電源供電,能量轉換效率較低,造成能源浪費的同時,還會影響加熱效果和使用時長。部分加熱器還缺乏有效的溫度反饋機制,無法實時監測溫度,導致使用者無法方便快捷地獲取溫度信息,從而引起由于局部溫度過高而導致皮膚燙傷等安全問題。此外,既保證柔性可穿戴加熱器具有良好的柔韌性以適應人體的各種動作和姿勢,又確保其在長期使用和反復拉伸、彎曲過程中保持性能穩定和結構完整仍存在挑戰。


  針對以上問題,江南大學王潮霞教授和加拿大滑鐵盧大學Yuning Li 教授提出了一種溫度可視化的光熱變色彈性纖維。基于聚苯胺(PANI)和聚多巴胺(PDA)的有效復合,光熱材料的光吸收性能得到提升,該纖維呈現出色的光熱轉換性能,成功解決了柔性可穿戴加熱器能量轉換效率低的問題,增強了溫度調節的靈活性和適應性。通過調節輻照條件,隨著表面溫度的變化,該纖維展現出顯著的可逆變色性能。這一創新特性使用戶能夠根據觀察纖維的顏色變化來實時監測纖維的溫度,提高了可穿戴加熱器的使用安全性。此外,光熱變色彈性纖維顯示優異的柔韌性和可拉伸性,確保了可穿戴加熱器的舒適性和貼合性。這種可拉伸、色彩鮮艷的光熱變色彈性纖維作為一種節能替代品具有巨大前景,有望在智能可穿戴領域找到令人興奮的應用。


 1 光熱變色織物制備工藝及應用


  圖1為濕法制備光熱變色彈性纖維的工藝示意圖。通過在PDA中引入PANI納米材料,拓寬光吸收劑的光吸收波長范圍;選用熱塑性聚氨酯(TPU)和溫敏變色染料分別作為紡絲基材和著色劑,采用原液著色技術,經濕法紡絲制備光熱變色纖維。最后,將光熱變色彈性纖維收集并織成織物。


 2 光熱纖維的光熱轉換性能


 3 輻照條件對光熱變色纖維的光熱轉換性能的影響


  隨著PDA@PANI納米顆粒含量的增加,PDA@PANI光熱纖維逐漸由淺綠色變為墨綠色;暴露在模擬太陽光下的光熱材料面積逐漸增大,宏觀上表現為PDA@PANI光熱纖維溫度的升高。即使 PDA@PANI納米顆粒含量為0.5 wt.%時,PDA@PANI光熱纖維與TPU纖維的溫差仍可達到15 ℃,其K/S值僅為0.49(淺色紡織品的K/S范圍為0.1-0.5),證明PDA@PANI光熱纖維具有淺色性和高效的光熱轉換性能(圖 2)。


  輻照光強和角度是影響光熱織物光熱轉換性能的重要因素。隨著輻照光強從200 W m-2增加到600 W m-2,經輻照600 s后光熱變色纖維的平衡溫度從20.0 (環境溫度)分別上升到30.535.140.247.051.1 ℃(圖 3)。這是因為當光熱變色纖維暴露在輻照光強越高的模擬太陽光下時,其所吸收的太陽能也就越多,從而產生的熱能越多,因此光熱轉換性能增強。通過調節輻照條件,可以實現對光熱變色纖維表面溫度的有效調控。


 4 光熱變色纖維的可逆變色性能


  基于PDA/PANI 納米粒子的顯著的光熱轉換性能,在模擬太陽光輻照下,光熱變色纖維的表面溫度隨之變化,從而觸發其可逆變色行為。隨著輻照時間的延長,光熱變色纖維的K/S值急劇下降;經輻照60 s后,其K/S值從3.5降低到0.7,表明色深發生明顯降低,間接說明此時光熱變色纖維系統中由光吸收劑光熱轉換而產生的熱量高于溫敏變色染料發生變色所需的熱量(圖 4);關閉光源后,伴隨著光熱轉換作用的減弱,光熱變色纖維能夠快速地從白色變回原始的紅色,表明其具有靈敏且高光學對比度的可逆變色性能。因此,通過建立輻照條件-表面溫度-顏色之間的響應關系,能夠實現對光熱變色纖維溫度的實時監測。


  與原始狀態下的試樣相比,在100%拉伸應變下的光熱變色纖維的平衡溫度發生略微的降低,隨著拉伸應變的增大,其平衡溫度保持穩定(圖5)。當拉伸應變為500%時,光熱變色纖維的平衡溫度仍能達到34 ℃左右,最大溫升約13 ℃,驗證了光熱變色纖維具有優異的拉伸穩定性。


 5 光熱變色纖維的可拉伸性能和耐水洗性


 6 光熱變色織物的應用


  為了更直觀地探究光熱變色纖維在防寒保暖中的應用,將其織造成光熱變色彈性織物作為可穿戴加熱器穿戴在小熊身上(圖 6)。在600 W m-2的模擬太陽光下輻照600 s,小熊身上的光熱變色彈性織物呈現顯著的光熱轉換性能,平衡溫度達75.7 ℃(環境溫度,22.3 ℃),最大溫升為53.4 ℃同時,光熱變色彈性織物依然保持靈敏且高光學對比度的可逆變色性能;光熱變色彈性織物維持良好的可拉伸性能,伸長率可達300%;揭示了通過濕法紡絲法制備光熱變色纖維的可行性,以及光熱變色彈性織物在溫度可視化紡織品和可穿戴加熱器等領域的應用。


  相關研究成果“Color tunable photo-thermochromic elastic fiber for flexible wearable heater”為題發表在國際學術期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》(IF 23.2)上。江南大學紡織科學與工程學院王潮霞教授和加拿大滑鐵盧大學化學工程系Yuning Li 教授為論文通訊作者,江南大學18級博士研究生葛方青論文第一作者。感謝國家自然科學基金和中國留學基金委等項目論文的資助。


  原文鏈接:https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-024-00994-4

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(責任編輯:xu)
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