东南大学赵东亮课题组《ACS Nano》：用于极端冷热环境下人体热湿管理的分级纳米纤维自清洁功能织物

2023-09-20 来源：高分子科技

近年来，全球极端气候出现频率逐年上升，严重影响人类正常生活。被动辐射热管理是一种新兴的控温技术，通过调节大气窗口（8-13μm）波段的热辐射实现热调控，该技术在人体热管理方面具有应用潜力。然而，当前辐射控温织物存在功能单一和控温性能差等问题，无法满足极端环境下的人体热湿管理需要，因此，有必要设计一种具有多模式的控温织物用于极端冷热环境下人体热湿管理。

近日，东南大学赵东亮教授课题组提出了具有增强隔热、调控辐射换热和促进蒸发散热功能于一体的设计策略，开发了一种分级多孔纳米纤维织物并应用于极端环境下人体热湿管理。该织物主要由辐射冷却层、隔热层和辐射加热层按需构建而成。通过引入具有低热导率的气凝胶膜显著增强了织物的隔热性能，同时，通过结合高效隔热和调控辐射换热分别提高了极热和寒冷环境下的冷却和保温性能。户外实验结果表明该织物的冷却和保温性能均优于文献报道的代表性织物。此外，该织物还具有优异的透湿性、透气性、定向排汗和自清洁性能，使其在极热和极冷环境下的人体热湿管理方面具有良好的潜在应用前景。

在该工作中，作者报道了一种用于极端冷热环境下人体热湿管理的分级纳米纤维（HNF）自清洁织物。首先，经过实验优化制备多层纳米纤维多孔织物（图1）; 采用冷冻干燥方法巧妙设计多维定向孔道结构木质纤维素气凝胶膜（LCAM），优化其导热系数低至0.0366 W·m^?1·K^?1，使其在寒冷环境下减少热量损失，在炎热环境下阻隔外界热量传递（图2）。聚二甲基硅氧烷(PDMS)的引入提高了织物的冷却性能，并赋予其自清洁性能；优化碳纳米管(CNTs)在聚丙烯腈中的含量，调控织物的光热转化和辐射加热达到最佳效果。户外测试结果表明该织物具有良好的冷却和保温性能，且分别优于已报道的代表性织物（图3）。此外，该织物具有优异的定向排汗、自清洁和抗污性能（图4）。该工作为辐射控温织物的被动热湿管理，尤其是在极端环境下的个人热管理提供了一条新的研究思路。

图1. 分级纳米纤维（HNF）纺织品的制备与形貌表征：(a) HNF纺织品制备工艺示意图；(b-d) HNF织物的LCAM层、PVB?PDMS层和PAN-CNT层的SEM图像。

图2. 隔热性能：(a) 木质纤维素气凝胶膜（LCAM）和棉布在加热和自然冷却过程中的红外图像；(b)织物的导热系数，插图是HNF织物和棉布的传热示意图；(c) LCAM实物图及其表面和截面的SEM图像；(d) LCAM和棉布覆盖在施加功率为3W加热板上的表面温度和环境温度，插图是LCAM与棉布覆盖加热板在不同功率下的温差；(e) LCAM和棉布覆盖加热板在不同功率下的温度；(f, g)在太阳光模拟器下不同厚度LCAM下表面温度，插图是实验装置示意图。

图3. 户外热管理性能：(a)分别为白色棉布和HNF织物覆盖皮肤模拟器的温度和皮肤模拟器的温度、环境温度以及太阳辐射；(b) HNF织物与其他报道的织物冷却性能的比较；(c)分别为黑色棉布、PAN-CNTs/黑色棉布和HNF织物覆盖皮肤模拟器的温度和皮肤模拟器的温度、环境温度以及太阳辐射；(b) HNF织物与其他报道的织物加热性能的比较。

图4. 自清洁和定向排汗性能：(a)强酸、中性和强碱条件下PVB和PVB?PDMS层的接触角；(b)利用灰尘对PVB?PDMS层进行自洁测试；(c)织物的吸汗性能测试，示意图(左)和棉布和HNF织物吸汗测试 (右)；(d)反重力定向排汗，汗水接触角随时间的变化。

该工作以“A Hierarchically Nanofibrous Self-Cleaning Textile for Efficient Personal Thermal Management in Severe Hot and Cold Environments”为题发表于纳米领域国际权威期刊《ACS Nano》上。东南大学博士生顾斌为第一作者，东南大学赵东亮教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和江苏省自然科学基金等项目的资助。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c05460

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