一種用于個人熱管理（PTM）的紡織材料

熱設計 2024-05-27

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創下新的高溫記錄。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、神經系統和循環系統的危害。在嚴重的情況下，它甚至會導致多器官系統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歷了顯著的進步。散熱通過四種機制發生:傳導、輻射、對流和蒸發。人們對具有輻射和蒸發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造具有優異導熱性的PTM織物。

傳統的夏季面料通常使用棉，其導熱系數非常低(0.02-0.07 W/mK)。為此，市場上出現了實現個人降溫的“清涼感覺面料”。這些產品增加了導熱性，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的散熱問題。如果人體產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，我們開發了一種雙冷卻紡織品(DCT)，具有3D熱網結構和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，提高了機械強度。在三維多級熱傳導網絡的影響下，DCT獲得了顯著的面內和透面導熱系數(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(輸運指數為1081%)和快速水分蒸發性能(0.34 g h?1)。在靜態和動態情況下，快速散熱和汗液蒸發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。這一策略為開發用于建筑個性化制冷和節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)人體靜態和動態狀態下DCT熱擴散和汗液蒸發機理示意圖。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。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。