一種用于個(gè)人熱管理（PTM）的紡織材料

熱設(shè)計(jì) 2024-05-27

來(lái)源：Advanced Functional Materials

原文：https://doi.org/10.1002/adfm.202400987

01背景介紹

最近結(jié)束的2023年是地球上有記錄以來(lái)最熱的一年，某組織預(yù)測(cè)地球?qū)⒃谖磥?lái)五年內(nèi)創(chuàng)下新的高溫記錄。夏季熱浪給人類健康帶來(lái)了許多有害的后果，如對(duì)消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的危害。在嚴(yán)重的情況下，它甚至?xí)?dǎo)致多器官系統(tǒng)衰竭和隨后的死亡例如，墨西哥的熱浪不幸導(dǎo)致至少112人死亡。為了保證人的生命，人們依靠空調(diào)等大型制冷設(shè)備，通過(guò)降低室內(nèi)溫度來(lái)降低體溫。然而，這些電子設(shè)備有缺點(diǎn)，如高能耗，不適合個(gè)人冷卻能力，和戶外環(huán)境的限制。

服裝作為人體的第二層皮膚，可以通過(guò)功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)個(gè)人需求的實(shí)時(shí)降溫。因此，個(gè)人熱管理(PTM)紡織品在過(guò)去幾年中經(jīng)歷了顯著的進(jìn)步。散熱通過(guò)四種機(jī)制發(fā)生:傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流和蒸發(fā)。人們對(duì)具有輻射和蒸發(fā)功能的冷卻紡織品進(jìn)行了大量研究。然而，作為紡織品唯一固有的散熱機(jī)制，對(duì)傳導(dǎo)的研究卻很有限。因此，一個(gè)有前途的研究領(lǐng)域是創(chuàng)造具有優(yōu)異導(dǎo)熱性的PTM織物。

傳統(tǒng)的夏季面料通常使用棉，其導(dǎo)熱系數(shù)非常低(0.02-0.07 W/mK)。為此，市場(chǎng)上出現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)個(gè)人降溫的“清涼感覺(jué)面料”。這些產(chǎn)品增加了導(dǎo)熱性，使它們能夠迅速將身體熱量傳遞到周圍環(huán)境，提供冷卻的感覺(jué)。因此，BNNS引起了研究人員的極大關(guān)注。然而，這些研究只涉及織物平面內(nèi)的散熱問(wèn)題。如果人體產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)布料在垂直方向上迅速消散，冷卻將會(huì)更快更有效。此外，使用過(guò)多的顆粒來(lái)構(gòu)建熱通道可能會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，不足以用于實(shí)際使用。

02成果掠影

近日，東華大學(xué)丁彬、王先鋒團(tuán)隊(duì)針對(duì)用于個(gè)人熱管理紡織品的研究取得最新進(jìn)展。為了解決這些問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一種雙冷卻紡織品(DCT)，具有3D熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)和Janus潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)，采用液體輔助超聲改性，高壓靜電紡絲和壓后處理相結(jié)合。具體來(lái)說(shuō)，織物的外層(mE)由親水性聚乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)與改性BNNS (mBNNS)共混而成，而織物的內(nèi)層(mP)由疏水性聚氨酯(PU)與mBNNS共混而成。由于mBNNS與兩種聚合物具有較強(qiáng)的界面相互作用，在高壓靜場(chǎng)中形成水平導(dǎo)熱通道，隨后的壓制增加了單纖維在織物厚度方向的接觸面積，織物具有雙向高導(dǎo)熱系數(shù)，提高了機(jī)械強(qiáng)度。在三維多級(jí)熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的影響下，DCT獲得了顯著的面內(nèi)和透面導(dǎo)熱系數(shù)(8.57和0.70 W/mK)，以及實(shí)用的力學(xué)質(zhì)量(抗拉斷裂強(qiáng)度為65 MPa)。此外，DCT具有Janus濕潤(rùn)結(jié)構(gòu)，具有單向吸濕性能(輸運(yùn)指數(shù)為1081%)和快速水分蒸發(fā)性能(0.34 g h?1)。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下，快速散熱和汗液蒸發(fā)是人體降溫的有利特征。與棉織物相比，DCT可以將溫度降低3.7°C。這一策略為開(kāi)發(fā)用于建筑個(gè)性化制冷和節(jié)能的先進(jìn)功能性紡織品提供了新的視角。研究成果以“Dual-Cooling Textile Enables Vertical Heat Dissipation and Sweat Evaporation For Thermal and Moisture Regulation”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。

03圖文導(dǎo)讀

圖1. a) DCT的制造過(guò)程示意圖。b)人體靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)下DCT熱擴(kuò)散和汗液蒸發(fā)機(jī)理示意圖。c)大尺寸DCT照片。紅外熱成像顯示一個(gè)真實(shí)的人穿著DCT(左胸)和棉織物站著和跑著。

圖2.a) BNNS和mBNNS的SEM圖像和b) FTIR光譜。c) mBNNS/EVOH(左)和mBNNS/PU(右)的ESP在?0.03 ~ 0.03范圍內(nèi)繪制。d) m-E和e) m-P的SEM圖像。f) NO-NM, NO-M, O-M的XRD。g)納米片沿平面方向的取向分?jǐn)?shù)。纖維膜h)壓前和i)壓后的SEM橫截面圖(傳熱路徑如圖中紅色曲線所示)。j) E/P、m-E/m-P和DCT的BET表面積比較。k) mE與mP的孔徑分布對(duì)比，插圖為對(duì)應(yīng)的水接觸角。