一种可切换的Janus复合元织物，结合了被动辐射冷却和光热加热技术，用于个人热管理

《Energy Economics》：A switchable Janus composite metafabric integrating passive radiative cooling and photothermal heating for personal thermal management

　　

庄子恒|薛彤|张学静文|于燕|王超霞|尹云杰

江南大学纺织科学与工程学院，中国无锡市蠡湖路1800号，214122

摘要

极端天气事件的频率不断增加，以及与环境温度调节相关的高能源需求，激发了人们对节能个人热管理（PTM）纺织品的兴趣。本文介绍了一种可切换的双模式Janus热调节棉织物（DJTC），通过简单的刀片涂层和喷涂涂层工艺制备，以实现人体微环境的适应性调节。DJTC具有不对称的光学结构：冷却侧采用多孔SiO₂@TPU涂层实现被动辐射冷却，而加热侧则采用MXene@PDMS层实现光热加热。得益于SiO₂微球和非溶剂诱导相分离形成的多孔TPU基体的协同作用，冷却侧的太阳反射率为93.2%，中红外发射率为91.3%，在1太阳光照下相比原始棉织物温度降低了5°C。相反，加热侧利用MXene的强太阳吸收能力、高效光热转换和低红外发射率，在模拟的1太阳光照下温度升高了15.21°C。PDMS的加入进一步赋予了该织物疏水性自清洁性能、洗涤耐久性和机械稳定性。这项工作提出了一种简单有效的策略，用于在动态户外条件下开发可切换的PTM纺织品。

引言

长期的工业化加速了环境退化，导致全球极端天气事件更加频繁，昼夜温差也更大。这些变化使得维持人体热舒适度变得越来越困难，更重要的是，对人类健康构成了潜在风险[1]、[2]。传统的热调节策略主要依赖于环境层面的温度控制，包括建筑保温、供暖、通风和空调（HVAC）系统[3]。然而，调节整个建筑的热环境所需的能量远大于控制人体周围的局部微环境[4]。因此，这种集中式方法导致了大量的能源消耗和相关的环境负担，同时也不适合日益增长的户外个人热管理（PTM）需求[5]、[6]、[7]。纺织品与人体紧密接触，充当第二层皮肤，为调节人体-织物微环境提供了有前景的平台[8]、[9]。然而，大多数传统纺织品只表现出单一的热响应，因此无法在变化的环境条件下提供适应性的热舒适度[10]、[11]、[12]。因此，开发集冷却和加热功能于一体的双模式PTM织物对于实现节能和适应性微环境调节非常必要[13]、[14]。

结合被动日间辐射冷却（PDRC）、被动辐射加热和光热转换的个人热管理纺织品为可逆的冷却/加热调节提供了有吸引力的平台，同时减少了能源输入[15]、[16]、[17]。对于户外使用的纺织品，其热响应受到入射太阳辐射的强烈影响，这可能会在织物表面产生较大的热负荷[18]、[19]。同时，人体不断在中红外（MIR）区域（主要是7-14 μm范围内）释放热辐射，这种辐射途径在室内静坐条件下对皮肤散热起着重要作用[20]、[21]。这些考虑表明，控制纺织品的光谱响应对于在室内和室外环境中实现有效的PTM至关重要。在PDRC配置中，纺织品表面应反射大部分入射阳光，同时保持高MIR发射率，从而限制太阳热量的积累并促进代谢热量的散发[22]、[23]、[24]。例如，在1000 W/m²的强烈太阳照射下，即使太阳吸收率略有增加，也会显著削弱净冷却效果，图1a和b中的理论结果也支持了这一点。因此，高性能的PDRC纺织品通常需要非常高的太阳反射率，最好超过90%，同时通过大气窗口实现高效的热量散发[25]、[26]。最近的进展进一步表明，辐射冷却材料正从纯超白设计转向应用导向的表面，这些表面在保持高太阳反射率的同时，还兼顾视觉舒适性和色彩美学以及城市适应性[27]。相比之下，加热模式则需要相反的光谱特性：具有强太阳吸收率和低MIR发射率的表面可以将太阳能量转化为热量，同时减少皮肤的热量损失，从而实现局部热量保留[28]、[29]、[30]。

辐射冷却和加热纺织品有不同的光谱要求，且在许多情况下是相反的。对于辐射冷却，材料表面应在0.25-2.5 μm的太阳光谱范围内强烈反射阳光，同时在与人体热辐射相关的MIR区域（主要是7-14 μm范围内）保持高发射率[31]、[32]、[33]。这通常导致白色或高光散射的设计，以最小化太阳热量的积累。相比之下，加热纺织品的设计旨在高效吸收太阳能量，并表现出低MIR发射率，从而使太阳能量转化为热量，同时抑制皮肤向周围环境的热量辐射[34]、[35]、[36]。基于此，一些最近的研究尝试将辐射冷却、辐射加热和太阳驱动的光热转换集成到双模式PTM纺织品中。例如，张等人[37]通过连续电纺工艺开发了一种Janus红外发射双模式（JIED）织物，其中BNNSs/PVDF-HFP/PVP层作为冷却组件，SiC/PVDF-HFP/PVP层作为加热组件。该织物在阳光下实现了5.85°C的冷却效果和35.93°C的加热效果。在另一个例子中，董等人[38]通过电纺、双向预拉伸和喷涂涂层在TPU/PDMS基底上形成了褶皱的AgNW/MXene网络，制备了一种可拉伸的双模式纺织品。这种纺织品具有电磁干扰（EMI）屏蔽效果，同时实现了4.9°C的冷却效果和5°C的加热效果。这些研究证实了双模式热管理纺织品的潜力；然而，它们依赖于多步骤的制造工艺和专用设备，可能阻碍了大规模和实际应用。因此，开发更简单、更易获取的方法对于推进双模式热调节纺织品的发展仍然很重要。

在这项研究中，我们通过简单的刀片涂层和喷涂涂层策略开发了一种双模式Janus热调节棉织物（DJTC）。DJTC具有不对称的Janus结构：一侧是多孔SiO₂@热塑性聚氨酯（SiO₂@TPU）层，用于被动辐射冷却；另一侧是MXene@PDMS层，用于光热加热。这种侧向依赖的光学设计使织物能够在冷却或加热模式下调节人体-织物微环境。如图1d所示，冷却侧是通过非溶剂诱导相分离（NIPS）[39]、[40]形成多孔SiO₂@TPU复合涂层制备的。该涂层结合了高太阳反射率和高MIR发射率，使织物能够减少太阳热量的吸收并促进红外热量的散发。具体来说，冷却侧的太阳反射率为93.2%，MIR发射率为91.3%。相反，加热侧则是通过依次在织物表面喷涂二维MXene纳米片和PDMS交联系统制备的。由于MXene的强太阳吸收率和低红外发射率，加热侧实现了94.3%的太阳吸收率和有效的光热加热效果。通过简单地翻转织物，可以在这两种热管理模式之间切换DJTC。黑色的MXene@PDMS侧在照射下起到加热作用（图1e），而白色的SiO₂@TPU侧在向外暴露时提供辐射冷却（图1f）。除了双模式热调节行为（图1g）外，DJTC还表现出疏水性自清洁性能、洗涤耐久性和耐磨性，这些对于可穿戴纺织品应用非常重要。总体而言，这项工作提出了一种简单且具有潜在可扩展性的方法，用于制造能够响应变化环境条件的适应性PTM纺织品。

章节片段

材料

双层针织棉织物（100%棉）从当地制造商处获得，并在使用前用无水乙醇清洗。热塑性聚氨酯（TPU，分子量=90 K）由Evermore Chemical Industry Co., Ltd.提供。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）从浙江汉诺化学科技有限公司获得。二氧化硅微球（SiO₂，0.5 μm，99.9%）从宁波宇木新材料有限公司购买。聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚物和固化剂由

DJTC的制备和形态表征

为了在棉基底上集成两种不同的热调节功能，通过逐步涂层策略制备了一种具有不对称结构的双模式Janus热调节棉织物（DJTC）。该设计利用织物两侧的太阳反射率和红外发射率差异来实现可切换的热管理。制备过程如图2a所示。

首先，将SiO₂和TPU分散并溶解在DMF中

结论

总之，通过结合基于NIPS的刀片涂层工艺和喷涂涂层策略，开发了一种双模式Janus热调节棉织物。所得到的不对称Janus结构由冷却侧的多孔SiO₂@TPU涂层和加热侧的MXene@PDMS层组成，分别用于被动辐射冷却和光热加热。在户外测试中，冷却侧相比原始棉织物平均温度降低了约5.00°C

CRediT作者贡献声明

庄子恒：撰写——原始草稿，可视化，方法论，数据分析，概念化。薛彤：验证，软件，研究。张学静文：可视化，方法论，研究。于燕：研究，数据分析。王超霞：撰写——审稿与编辑，监督，资源，方法论，研究。尹云杰：撰写——审稿与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可根据请求提供。

资助

本工作得到了江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25-2688）和中国国家自然科学基金（21975107）的财政支持。

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