基于双面异质双层纺织品的个人热管理

《International Journal of Thermal Sciences》：Personal thermal management based on a Janus bilayer textile

　　

摘要

被动式热管理为人体提供了一种可持续的热管理解决方案。然而，目前仍缺乏能够在各种环境下实现动态热管理、从而最大限度提升热管理性能的纺织材料。为应对这一挑战，研究者利用可规模化的静电纺丝技术制备了一种柔性双面双层织物，通过翻转即可在制冷和加热模式之间动态切换。该双面结构通过切换光谱辐射、热传导和定向水传输，能够极大地提升热管理性能。具体而言，制冷层展现出优异的辐射冷却性能（${\stackrel{￣}{R}}_{\text{solar}}$ = 0.978，${\stackrel{￣}{\epsilon }}_{\text{LWIR}}$ = 0.966），而加热层则具有较高的太阳吸收率（${\stackrel{￣}{\alpha }}_{\text{solar}}$ = 0.959）。与常见棉质材料相比，在户外条件下，该织物在制冷模式下实现了4.5 °C的降温效果，在加热模式下则实现了11.4 °C的升温效果。双面润湿状态——亲水制冷层（接触角CA ～ 0^o）与疏水加热层（CA ～ 140^o）之间的差异——在模拟测试中实现了定向水传输，从而实现了汗液蒸发冷却效果优于普通棉质材料。加热层的热扩散率是制冷层的1.3倍，实现了定向热传导，在局部加热功率下，制冷模式的温度比加热模式低1.5 °C。这些结果表明了该织物在可持续、动态个人热管理方面的应用潜力。

引言

在"皮肤–织物–环境"系统中，热管理对人体具有关键作用[1,2]。传统的室内环境调节方式，如空调系统，消耗了大量化石燃料能源，占全球能源消费总量的40%[3]。然而，如此巨大的能耗仅能满足室内环境需求，对于户外活动或在大型工厂车间中的劳动几乎毫无帮助，严重限制了其应用场景。近年来，被动式热管理作为一种潜在的减少供暖或制冷化石燃料消耗的方案，引起了广泛关注，特别是在人体、建筑物和户外设备领域[[4], [5], [6]]。个人热管理（PTM）纺织品能够更自适应地为身体降温，而无需额外耗电来调节周围环境[7,8]。因此，开发能够调节人体热舒适性能的先进纺织品已成为一种极具前景的途径[9,10]。

被动白天辐射冷却（PDRC）由于其零能耗的冷却特性，在户外热管理用的PTM纺织品领域受到了极大关注[[11], [12], [13]]。具体而言，PDRC具有高太阳反射率（0.3–2.5 μm），可减轻来自热太阳（约5800 K）的太阳加热效应，同时在长波红外大气传输窗口（ATW，8–13 μm）内具有高红外发射率，可将热量辐射到寒冷的外太空（约3 K）中[[14], [15], [16]]。通常，PDRC纺织品的制备采用一些常见的聚合物或介电材料[17,18]，这些材料具有较少的太阳吸收和较高的固有中红外吸收能力。通过材料和结构设计，可以增强太阳反射率和热发射率，例如聚乙烯醇（PVA）、聚偏氟乙烯（PVDF）、二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）等。然而，在个人热管理中，出汗是降低体温的有效方式。当这些常见的PDRC纺织品被汗液浸湿时，由于水的渗入导致太阳吸收增加，PDRC性能会下降。此外，湿润的纺织品会紧贴皮肤，导致舒适度降低。在实际应用中，汗液来自内表面（即贴肤面），而雨水则作用于外层环境面[19,20]。为避免不适，可通过结构设计（如利用毛细力和拉普拉斯压力差），将液态水主动向外输送，例如双层双面结构、润湿性梯度和异质复合材料[21,22]。因此，同时优化光谱调控和定向水传输对于增强被动冷却效果、防止液体反向渗透至关重要[23,24]。

然而，单一制冷模式在环境气候大幅波动时可能导致过度冷却[25,26]。需要通过主动或被动方式适当切换工作模式[27,28]。为此，研究者通过可规模化的静电纺丝技术制备了一种柔性双层双面织物，仅通过翻转织物即可在制冷和加热模式之间动态切换。该双面结构通过协同调节光谱辐射、热传导和定向水传输，最大化了动态热管理效率。具体而言，制冷层展现出卓越的辐射冷却性能（平均太阳反射率${\stackrel{￣}{R}}_{\text{solar}}$ = 0.978；平均长波红外发射率${\stackrel{￣}{\epsilon }}_{\text{LWIR}}$ = 0.966），而加热层则具有高太阳吸收率（${\stackrel{￣}{\alpha }}_{\text{solar}}$ = 0.959）。户外测试表明，与普通棉质材料相比，该织物在制冷模式下实现了4.5 °C的降温效果，在加热模式下实现了11.4 °C的升温效果。此外，亲水制冷层（水接触角CA ～ 0^o）与疏水加热层（CA ～ 140^o）之间的非对称润湿性赋予了定向水传输能力，在模拟汗液蒸发过程中使温度低于棉质材料。另外，加热层的热扩散率是制冷层的1.3倍，实现了定向热传导，在局部热载荷下进一步将制冷模式温度降低了1.5 °C。总体而言，本工作为个人热管理中的动态热调节提供了一种实用、可规模化且节能的解决方案。

各节摘要

双面结构设计

为实现通过翻转来动态调节个人热管理，研究者通过静电纺丝设计了图1a所示的双层双面结构。在静电纺丝过程中，以聚偏氟乙烯（PVDF）作为基底液体，溶剂为丙酮（AC）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）。在制冷侧（即白色面），向液体中添加氧化铝（Al₂O₃）纳米粒子以提高其太阳反射率（${\stackrel{￣}{R}}_{\text{solar}}$），并添加大量普朗尼克F-127颗粒以实现

结论

总之，研究者利用可规模化的静电纺丝技术制备了一种双层双面柔性织物，实现了制冷和加热模式之间的动态切换。具体而言，制冷层展现出优异的辐射冷却性能（${\stackrel{￣}{R}}_{\text{solar}}$ = 0.978，${\stackrel{￣}{\epsilon }}_{\text{LWIR}}$ = 0.966），而加热层则具有高太阳吸收率（${\stackrel{￣}{\alpha }}_{\text{solar}}$ = 0.959）。与普通棉质材料相比，在制冷模式下实现了4.5 °C的降温效果，在

CRediT作者贡献声明

张小雨： 撰写——原稿、方法学、调查研究。李雨婷： 软件、方法学、形式分析。姚宝剑： 软件、方法学、调查研究。李邦吉： 可视化、资源提供。陈美洁： 撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52576249）、湖南省科技创新计划（2024RC3003）和中南大学"创新引领计划"（2023CXQD012）的资助。

张小雨|李雨婷|姚宝剑|李邦吉|陈美洁