东华大学王宏志教授、李克睿研究员 AFM：由规模化制备的辐射电致变色纤维编织出的透气动态温度调控纺织品

2024-01-02 来源：高分子科技

服装作为人体的“第二层皮肤”，对人体的热舒适感觉至关重要。根据普朗克定律，人体辐射主要对应大气红外窗口（8-14 μm）中的中红外光。通过服装或纺织品的辐射传热达~25 W m^-2，约占人体与周围环境热交换总量的40%。因此，在温度波动较大的室内和室外（或白天和夜间）环境中，热辐射管理在保持人体热舒适度方面发挥着重要作用。然而，具有恒定红外发射率的传统服装和纺织品难于进行热辐射管理，尽管通过引入相变材料、双层不对称结构、金属超表面和电致变色装置等策略实现器件的红外发射率调控，但是现有平面结构的红外调控器件往往失去了纺织品和服装的固有特征，表现出较差的透气性和服装整合性。因此，迫切需要由纤维单元组成的动态调温纺织品来解决上述问题。

图1. 由辐射电致变色纤维组成的动态温度调节纺织品用于个人辐射管理。

基于这些问题，东华大学王宏志教授与李克睿研究员报道了一种由规模化制备的辐射电致变色纤维编织出的透气动态温度调控纺织品（图1）。这种纺织品可以通过低电压驱动，具有Δε≈0.35的中红外发射率调控范围和6.1℃的红外温度调控范围（图2，3和视频1）。通过螺旋外电极和碳纳米管（CNT）红外调控层的协同作用，辐射电致变色纤维在100 m长度上表现出均匀的电场分布和长程电化学可控性（图4）。这种温度调控织物可抑制大幅度的温度变化，并确保在11.2°C的环境温度波动下，模拟皮肤的温度波动在约1.6°C的范围内，这将有助于降低建筑物供暖/制冷的相关能源成本，或提高在苛刻环境中的生存能力（图5）。通过编织和刺绣的方式在传统服装上整合辐射电致变色纤维，展示了其在人体红外伪装和红外隐形显示器等领域的多种应用场景（视频2，3）。近日，研究工作以“Dynamic thermoregulatory textiles woven from scalable-manufactured radiative electrochromic fibers”为题，发表在《Advanced Functional Materials》上。东华大学博士生范庆超为第一作者，该研究工作获得国家自然科学基金和上海市科学技术委员会的资助，谨此感谢。

图2. 辐射电致变色纤维的规模化制造。

图3. 辐射电致变色纤维的红外调控的性能。

视频1 热成像下辐射电致变色纤维的红外调控效果。

图4. 辐射电致变色纤维的长程调控性能。

视频2 热成像仪下面积为10 cm×10cm动态温度纺织品的状态切换。

图5. 由辐射电致变色纤维编织的多功能动态调温纺织品。

视频3 整合在服装上的动态温度调控纺织品。

该工作是使用定制设备基于浆料逐层沉积法制造的辐射电致变色纤维，并利用半自动织机将其编织成动态调温纺织品。通过螺旋电极和红外电致变色层协同设计来提高纤维长距离的电化学可控性，纤维长度达到100 m时仍具有快速的切换速度（＜10 s）和较高的温度调控范围ΔT_t（5.5°C）。辐射电致变色纤维经过2000个切换周期后调控范围保持其初始90%的性能，表现出优异的循环稳定性。利用编织/刺绣的方法将规模化制造的辐射电致变色纤维和动态调温纺织品与传统服装整合，展现出在热管理、可穿戴红外显示和红外伪装等多种应用前景。此外，动态调温纺织品具有高透气/透湿性、优异的耐磨性和抗老化性能，为调温纺织品在智能可穿戴系统的实际应用提供了可能。

论文信息：Fan Q, Fan H, Han H, Bai Z, Wu X, Hou C, Zhang Q, Li Y, Li K, Wang H. Dynamic thermoregulatory textiles woven from scalable-manufactured radiative electrochromic fibers. Adv. Funct. Mater. 2023, 2310858.

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310858

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（责任编辑：xu）

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