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東華大學(xué)王宏志教授、李克睿研究員 AFM：由規(guī)模化制備的輻射電致變色纖維編織出的透氣動(dòng)態(tài)溫度調(diào)控紡織品

2024-01-02 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：規(guī)模化制備輻射電致變色纖維動(dòng)態(tài)調(diào)溫高透氣熱管理

服裝作為人體的“第二層皮膚”，對(duì)人體的熱舒適感覺至關(guān)重要。根據(jù)普朗克定律，人體輻射主要對(duì)應(yīng)大氣紅外窗口（8-14 μm）中的中紅外光。通過服裝或紡織品的輻射傳熱達(dá)~25 W m^-2，約占人體與周圍環(huán)境熱交換總量的40%。因此，在溫度波動(dòng)較大的室內(nèi)和室外（或白天和夜間）環(huán)境中，熱輻射管理在保持人體熱舒適度方面發(fā)揮著重要作用。然而，具有恒定紅外發(fā)射率的傳統(tǒng)服裝和紡織品難于進(jìn)行熱輻射管理，盡管通過引入相變材料、雙層不對(duì)稱結(jié)構(gòu)、金屬超表面和電致變色裝置等策略實(shí)現(xiàn)器件的紅外發(fā)射率調(diào)控，但是現(xiàn)有平面結(jié)構(gòu)的紅外調(diào)控器件往往失去了紡織品和服裝的固有特征，表現(xiàn)出較差的透氣性和服裝整合性。因此，迫切需要由纖維單元組成的動(dòng)態(tài)調(diào)溫紡織品來解決上述問題。

圖1. 由輻射電致變色纖維組成的動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)紡織品用于個(gè)人輻射管理。

基于這些問題，東華大學(xué)王宏志教授與李克睿研究員報(bào)道了一種由規(guī)模化制備的輻射電致變色纖維編織出的透氣動(dòng)態(tài)溫度調(diào)控紡織品（圖1）。這種紡織品可以通過低電壓驅(qū)動(dòng)，具有Δε≈0.35的中紅外發(fā)射率調(diào)控范圍和6.1℃的紅外溫度調(diào)控范圍（圖2，3和視頻1）。通過螺旋外電極和碳納米管（CNT）紅外調(diào)控層的協(xié)同作用，輻射電致變色纖維在100 m長度上表現(xiàn)出均勻的電場分布和長程電化學(xué)可控性（圖4）。這種溫度調(diào)控織物可抑制大幅度的溫度變化，并確保在11.2°C的環(huán)境溫度波動(dòng)下，模擬皮膚的溫度波動(dòng)在約1.6°C的范圍內(nèi)，這將有助于降低建筑物供暖/制冷的相關(guān)能源成本，或提高在苛刻環(huán)境中的生存能力（圖5）。通過編織和刺繡的方式在傳統(tǒng)服裝上整合輻射電致變色纖維，展示了其在人體紅外偽裝和紅外隱形顯示器等領(lǐng)域的多種應(yīng)用場景（視頻2，3）。近日，研究工作以“Dynamic thermoregulatory textiles woven from scalable-manufactured radiative electrochromic fibers”為題，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。東華大學(xué)博士生范慶超為第一作者，該研究工作獲得國家自然科學(xué)基金和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助，謹(jǐn)此感謝。

圖2. 輻射電致變色纖維的規(guī)模化制造。

圖3. 輻射電致變色纖維的紅外調(diào)控的性能。

視頻1 熱成像下輻射電致變色纖維的紅外調(diào)控效果。

圖4. 輻射電致變色纖維的長程調(diào)控性能。

視頻2 熱成像儀下面積為10 cm×10cm動(dòng)態(tài)溫度紡織品的狀態(tài)切換。

圖5. 由輻射電致變色纖維編織的多功能動(dòng)態(tài)調(diào)溫紡織品。

視頻3 整合在服裝上的動(dòng)態(tài)溫度調(diào)控紡織品。

該工作是使用定制設(shè)備基于漿料逐層沉積法制造的輻射電致變色纖維，并利用半自動(dòng)織機(jī)將其編織成動(dòng)態(tài)調(diào)溫紡織品。通過螺旋電極和紅外電致變色層協(xié)同設(shè)計(jì)來提高纖維長距離的電化學(xué)可控性，纖維長度達(dá)到100 m時(shí)仍具有快速的切換速度（＜10 s）和較高的溫度調(diào)控范圍ΔT_t（5.5°C）。輻射電致變色纖維經(jīng)過2000個(gè)切換周期后調(diào)控范圍保持其初始90%的性能，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。利用編織/刺繡的方法將規(guī)模化制造的輻射電致變色纖維和動(dòng)態(tài)調(diào)溫紡織品與傳統(tǒng)服裝整合，展現(xiàn)出在熱管理、可穿戴紅外顯示和紅外偽裝等多種應(yīng)用前景。此外，動(dòng)態(tài)調(diào)溫紡織品具有高透氣/透濕性、優(yōu)異的耐磨性和抗老化性能，為調(diào)溫紡織品在智能可穿戴系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了可能。

論文信息：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.

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310858

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（責(zé)任編輯：xu）

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