來源：Advanced Functional Materials

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

01背景介紹

最近結束的2023年是地球上有記錄以來最熱的一年，某組織預測地球將在未來五年內(nèi)創(chuàng)下新的高溫記錄。夏季熱浪給人類健康帶來了許多有害的后果，如對消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的危害。在嚴重的情況下，它甚至會導致多器官系統(tǒng)衰竭和隨后的死亡例如，墨西哥的熱浪不幸導致至少112人死亡。為了保證人的生命，人們依靠空調等大型制冷設備，通過降低室內(nèi)溫度來降低體溫。然而，這些電子設備有缺點，如高能耗，不適合個人冷卻能力，和戶外環(huán)境的限制。

服裝作為人體的第二層皮膚，可以通過功能設計，實現(xiàn)針對個人需求的實時降溫。因此，個人熱管理(PTM)紡織品在過去幾年中經(jīng)歷了顯著的進步。散熱通過四種機制發(fā)生:傳導、輻射、對流和蒸發(fā)。人們對具有輻射和蒸發(fā)功能的冷卻紡織品進行了大量研究。然而，作為紡織品唯一固有的散熱機制，對傳導的研究卻很有限。因此，一個有前途的研究領域是創(chuàng)造具有優(yōu)異導熱性的PTM織物。

傳統(tǒng)的夏季面料通常使用棉，其導熱系數(shù)非常低(0.02-0.07 W/mK)。為此，市場上出現(xiàn)了實現(xiàn)個人降溫的“清涼感覺面料”。這些產(chǎn)品增加了導熱性，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。因此，BNNS引起了研究人員的極大關注。然而，這些研究只涉及織物平面內(nèi)的散熱問題。如果人體產(chǎn)生的熱量可以通過布料在垂直方向上迅速消散，冷卻將會更快更有效。此外，使用過多的顆粒來構建熱通道可能會導致材料強度下降，不足以用于實際使用。

02成果掠影

近日，東華大學丁彬、王先鋒團隊針對用于個人熱管理紡織品的研究取得最新進展。為了解決這些問題，我們開發(fā)了一種雙冷卻紡織品(DCT)，具有3D熱網(wǎng)結構和Janus潤濕結構，采用液體輔助超聲改性，高壓靜電紡絲和壓后處理相結合。具體來說，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的界面相互作用，在高壓靜場中形成水平導熱通道，隨后的壓制增加了單纖維在織物厚度方向的接觸面積，織物具有雙向高導熱系數(shù)，提高了機械強度。在三維多級熱傳導網(wǎng)絡的影響下，DCT獲得了顯著的面內(nèi)和透面導熱系數(shù)(8.57和0.70 W/mK)，以及實用的力學質量(抗拉斷裂強度為65 MPa)。此外，DCT具有Janus濕潤結構，具有單向吸濕性能(輸運指數(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。這一策略為開發(fā)用于建筑個性化制冷和節(jié)能的先進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圖文導讀

圖1. a) DCT的制造過程示意圖。b)人體靜態(tài)和動態(tài)狀態(tài)下DCT熱擴散和汗液蒸發(fā)機理示意圖。c)大尺寸DCT照片。紅外熱成像顯示一個真實的人穿著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數(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的孔徑分布對比，插圖為對應的水接觸角。

圖3. 人體處于靜止狀態(tài)時DCT的散熱性能。

圖4.人體運動時DCT的冷卻性能。

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