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東南大學(xué)趙東亮課題組《ACS Nano》:用于極端冷熱環(huán)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(xiàn)頻率逐年上升,嚴(yán)重影響人類正常生活。被動(dòng)輻射熱管理是一種新興的控溫技術(shù),通過調(diào)節(jié)大氣窗口(8-13μm)波段的熱輻射實(shí)現(xiàn)熱調(diào)控,該技術(shù)在人體熱管理方面具有應(yīng)用潛力。然而,當(dāng)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(huán)境下的人體熱濕管理需要,因此,有必要設(shè)計(jì)一種具有多模式的控溫織物用于極端冷熱環(huán)境下人體熱濕管理。


  近日,東南大學(xué)趙東亮教授課題組提出了具有增強(qiáng)隔熱、調(diào)控輻射換熱和促進(jìn)蒸發(fā)散熱功能于一體的設(shè)計(jì)策略,開發(fā)了一種分級多孔納米纖維織物并應(yīng)用于極端環(huán)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(gòu)建而成。通過引入具有低熱導(dǎo)率的氣凝膠膜顯著增強(qiáng)了織物的隔熱性能,同時(shí),通過結(jié)合高效隔熱和調(diào)控輻射換熱分別提高了極熱和寒冷環(huán)境下的冷卻和保溫性能。戶外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該織物的冷卻和保溫性能均優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的代表性織物。此外,該織物還具有優(yōu)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(huán)境下的人體熱濕管理方面具有良好的潛在應(yīng)用前景。


  在該工作中,作者報(bào)道了一種用于極端冷熱環(huán)境下人體熱濕管理的分級納米纖維(HNF)自清潔織物。首先,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)優(yōu)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(shè)計(jì)多維定向孔道結(jié)構(gòu)木質(zhì)纖維素氣凝膠膜(LCAM),優(yōu)化其導(dǎo)熱系數(shù)低至0.0366 W·m?1·K?1,使其在寒冷環(huán)境下減少熱量損失,在炎熱環(huán)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(yōu)化碳納米管(CNTs)在聚丙烯腈中的含量,調(diào)控織物的光熱轉(zhuǎn)化和輻射加熱達(dá)到最佳效果。戶外測試結(jié)果表明該織物具有良好的冷卻和保溫性能,且分別優(yōu)于已報(bào)道的代表性織物(圖3)。此外,該織物具有優(yōu)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(dòng)熱濕管理,尤其是在極端環(huán)境下的個(gè)人熱管理提供了一條新的研究思路。 


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。 


2隔熱性能(a) 木質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù),插圖是HNF織物和棉布的傳熱示意圖;(c) LCAM實(shí)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(huán)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(shí)驗(yàn)裝置示意圖。 


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(huán)境溫度以及太陽輻射;(b) HNF織物與其他報(bào)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(huán)境溫度以及太陽輻射;(b) HNF織物與其他報(bào)道的織物加熱性能的比較。 


4. 自清潔和定向排汗性能:(a)強(qiáng)酸、中性和強(qiáng)堿條件下PVBPVB?PDMS層的接觸角;(b)利用灰塵對PVB?PDMS層進(jìn)行自潔測試;(c)織物的吸汗性能測試,示意圖()和棉布和HNF織物吸汗測試 ();(d)反重力定向排汗,汗水接觸角隨時(shí)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(fā)表于納米領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《ACS Nano》上。東南大學(xué)博士生顧斌為第一作者,東南大學(xué)趙東亮教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。


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


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