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東華大學王宏志教授、李克睿研究員 AFM:由規(guī);苽涞妮椛潆娭伦兩w維編織出的透氣動態(tài)溫度調(diào)控紡織品
2024-01-02  來源:高分子科技

  服裝作為人體的“第二層皮膚,對人體的熱舒適感覺至關(guān)重要。根據(jù)普朗克定律,人體輻射主要對應大氣紅外窗口(8-14 μm)中的中紅外光。通過服裝或紡織品的輻射傳熱達~25 W m-2,約占人體與周圍環(huán)境熱交換總量的40%。因此,在溫度波動較大的室內(nèi)和室外(或白天和夜間)環(huán)境中,熱輻射管理在保持人體熱舒適度方面發(fā)揮著重要作用。然而,具有恒定紅外發(fā)射率的傳統(tǒng)服裝和紡織品難于進行熱輻射管理,盡管通過引入相變材料、雙層不對稱結(jié)構(gòu)、金屬超表面和電致變色裝置等策略實現(xiàn)器件的紅外發(fā)射率調(diào)控,但是現(xiàn)有平面結(jié)構(gòu)的紅外調(diào)控器件往往失去了紡織品和服裝的固有特征,表現(xiàn)出較差的透氣性和服裝整合性。因此,迫切需要由纖維單元組成的動態(tài)調(diào)溫紡織品來解決上述問題。


圖1. 由輻射電致變色纖維組成的動態(tài)溫度調(diào)節(jié)紡織品用于個人輻射管理。


  基于這些問題,東華大學王宏志教授李克睿研究員報道了一種由規(guī);苽涞妮椛潆娭伦兩w維編織出的透氣動態(tài)溫度調(diào)控紡織品(圖1)。這種紡織品可以通過低電壓驅(qū)動,具有Δε≈0.35的中紅外發(fā)射率調(diào)控范圍和6.1℃的紅外溫度調(diào)控范圍(圖2,3和視頻1)。通過螺旋外電極和碳納米管(CNT)紅外調(diào)控層的協(xié)同作用,輻射電致變色纖維在100 m長度上表現(xiàn)出均勻的電場分布和長程電化學可控性(圖4)。這種溫度調(diào)控織物可抑制大幅度的溫度變化,并確保在11.2°C的環(huán)境溫度波動下,模擬皮膚的溫度波動在約1.6°C的范圍內(nèi),這將有助于降低建筑物供暖/制冷的相關(guān)能源成本,或提高在苛刻環(huán)境中的生存能力(圖5)。通過編織和刺繡的方式在傳統(tǒng)服裝上整合輻射電致變色纖維,展示了其在人體紅外偽裝和紅外隱形顯示器等領(lǐng)域的多種應用場景(視頻2,3)。近日,研究工作以“Dynamic thermoregulatory textiles woven from scalable-manufactured radiative electrochromic fibers”為題,發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。東華大學博士生范慶超為第一作者,該研究工作獲得國家自然科學基金和上海市科學技術(shù)委員會的資助,謹此感謝。 


圖2. 輻射電致變色纖維的規(guī);圃。 


圖3. 輻射電致變色纖維的紅外調(diào)控的性能。


視頻1 熱成像下輻射電致變色纖維的紅外調(diào)控效果。

 

圖4. 輻射電致變色纖維的長程調(diào)控性能。



視頻2 熱成像儀下面積為10 cm×10cm動態(tài)溫度紡織品的狀態(tài)切換。

 

圖5. 由輻射電致變色纖維編織的多功能動態(tài)調(diào)溫紡織品。



視頻3 整合在服裝上的動態(tài)溫度調(diào)控紡織品。


  該工作是使用定制設備基于漿料逐層沉積法制造的輻射電致變色纖維,并利用半自動織機將其編織成動態(tài)調(diào)溫紡織品。通過螺旋電極和紅外電致變色層協(xié)同設計來提高纖維長距離的電化學可控性,纖維長度達到100 m時仍具有快速的切換速度(<10 s)和較高的溫度調(diào)控范圍ΔTt(5.5°C)。輻射電致變色纖維經(jīng)過2000個切換周期后調(diào)控范圍保持其初始90%的性能,表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。利用編織/刺繡的方法將規(guī);圃斓妮椛潆娭伦兩w維和動態(tài)調(diào)溫紡織品與傳統(tǒng)服裝整合,展現(xiàn)出在熱管理、可穿戴紅外顯示和紅外偽裝等多種應用前景。此外,動態(tài)調(diào)溫紡織品具有高透氣/透濕性、優(yōu)異的耐磨性和抗老化性能,為調(diào)溫紡織品在智能可穿戴系統(tǒng)的實際應用提供了可能。


  論文信息:Fan Q, Fan H, Han H, Bai Z, Wu X, Hou C, Zhang Q, Li Y, Li K, Wang H. Dynamic thermoregulatory textiles woven from scalable-manufactured radiative electrochromic fibers. Adv. Funct. Mater. 2023, 2310858.

  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310858

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(責任編輯:xu)
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