香港城市大学胡金莲教授《ACS Nano》:热管理服装的最新进展——材料、机制和前景

个人热管理（PTM）是一种很有前途的方法，可以维持人体的热舒适区，同时最大限度地减少室内建筑的能源消耗。最近的研究报道了许多先进的纺织品的发展，这些纺织品使PTM系统能够调节体温，并且穿着舒适。鉴于此，香港城市大学胡金莲教授及其博士研究生雷乐琪等人总结了控制人体散热途径的先进服装的研究，如辐射控制和热传导控制的服装。此外，还讨论了可调节人体微气候的双模式纺织品等适应性服装，以及同时解决热性能（保暖和/或制冷）和可穿戴性的响应性纺织品。最后，还讨论了该领域的重大挑战和前景，包括大规模生产、智能纺织品、生物启发服装和人工智能辅助服装。相关论文以Recent Advances in Thermoregulatory Clothing: Materials, Mechanisms, and Perspectives为题在ACS Nano上发表综述文章。

1.热舒适和热途径的基本概念

热舒适度是指对周围环境的温度感到满意的心理状态，也就是说，不会太冷或太热。由于它是一种与人对周围环境的反应有关的主观感觉，如冷或热的感觉，所以定量地定义热舒适度是很有挑战性的。由美国采暖制冷协会提出的七点热感量表美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）提出的七点热感量表，其中中性感觉被视为在各种温度情况下的满意条件，似乎是评估热舒适度最广泛使用的方法。人体通过平衡热量的摄入和损失来维持稳定的温度。它们包含了人体热量的产生、转移和保存。热辐射、热传导、空气对流和汗液蒸发都是人体向环境释放热量的方式。

图1. 人体与外部环境之间的热传递途径以及对核心体温变化的不良生理反应。代谢热和太阳吸收是两种热输入渠道。输出渠道包括传导、对流、辐射和蒸发。

2.热辐射控制的纺织品

热辐射极大地促进了人体的散热，在正常的室内情况下占总热量交换的50%以上。利用复杂的纺织品控制人体辐射可以通过首先控制纺织品的光学特性，然后控制人体和纺织品之间的辐射热传递来实现。为了达到制冷效果，最好是尽可能多地消散人体辐射；因此，具有高红外透过率的织物是必不可少的。另一个选择是实施有效的发射性服装，发射相当数量的人体辐射。这两种策略都可以大大加快辐射损失热量的速度。相反，高红外反射有利于取暖。

2.1 中红外透明的辐射制冷纺织品

Tong等人报告了一种红外透明可见不透明织物（ITVOF），它通过直接消散从人体释放到大气中的辐射能量来提供被动制冷。Peng等人通过广泛挤压具有传统纺织品特性的均匀、渐进的纳米聚乙烯微纤维，获得有利于工业化的织物。该纳米PE微纤维由于其耐磨性、耐用性和有效的制冷性能，是开发人体制冷材料的一个重要组成部分。Cui等人发现纳米多孔聚乙烯（nanoPE）对中红外是透明的，但对可见光是不透明的，由于孔径分布范围为50至1000纳米。这种多孔材料用于制造一种具有有效辐射制冷和出色的可穿戴性的纺织品，即透气性、透水性和机械强度。相关工作见已发表文章（ ACS Photonics 2015, 2 (6), 769−778； Nat. Sustain. 2018, 1 (2), 105−112； Science 2016, 353 (6303), 1019−1023.）

图2.各种中红外透明的辐射制冷纺织品

2.2日间被动辐射制冷纺织品

在阳光直射下，低于环境温度的单向被动日间辐射制冷（PDRC）是具有挑战性的，因为绝大多数容易获得的辐射制冷材料都会吸收撞击的太阳辐射。Cai等人将固有的材料特性与光学结构工程相结合，创造了一种具有特定光谱响应性的纺织材料。由于ZnO-PE能够反射90%以上的太阳辐射，同时选择性地传输人体热辐射，与典型的纺织品相比，模拟的皮肤能够避免过热5-13℃。Zhu等人通过可扩展的耦合-试剂辅助浸渍技术处理丝绸，创造了一种在阳光下具有显著净制冷潜力的织物。基于高折射率Al 2O 3阻挡紫外线的机制和丝绸在中红外波长范围内固有的高发射率，通过可扩展的耦合-试剂辅助浸渍技术处理丝绸，在阳光下创造了一种具有显著制冷潜力的织物。为了获得最佳的日间和夜间被动辐射制冷，Wang等人制造了一种分层组织的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，具有充分的太阳辐射反射率0.95和极好的MIR发射率0.98，在夜间实现了8.2℃的亚环境制冷效率，在白天实现了6.0-8.9℃。Zeng等人提出，大规模交织的元织物在中红外区域可能有94.5%的高发射率，在太阳光谱波长有92.4%的高反射率。这由于整个元织物上随机分布的散射器的分层结构。相关工作见已发表文章（ Adv. Mater. 2018, 30 (35), 1802152； Nat. Nanotechnol. 2021, 16 (12), 1342−1348； Nat. Commun. 2021, 12 (1), 365； Science 2021, 373 (6555), 692−696.）

图3. 日间被动辐射制冷纺织品

2.3 中红外发射率的保暖纺织品

被动保暖是通过成功抑制中红外辐射的散热通道而实现的。在服装的内表面涂上金属纤维片是一种有效的方法。Luo等人提出在彩色纳米光子结构的纺织品中，局部保暖是可行的，主要是通过减少外表面的辐射散热，其红外辐射率低至约10%，用于无能源的加热管理。Hsu等人制造了一种用于PTMS的银纳米线预埋布。在此基础上，通过使用纳米结构的金属实现了被动保暖效果和中红外反射的进一步发展。Cai等人证明具有特定中红外特性的纳米结构织物在不影响透气性的情况下提高了PTM保暖能力。相关工作见已发表文章 （ Nano Energy 2019, 65, 103998； Nano Lett. 2015, 15 (1), 365−371； Nat. Commun. 2017, 8 (1), 496.）

图4. 中红外发射率的保暖纺织品

3. 热传导控制的纺织品

作为人体热能耗散的主要方法之一，热传导调节值得研究，以加强或减轻人体的热传导，实现有效的PTMS。在人体皮肤和服装内侧的界面上，热传导，而不是红外辐射，是热量传递的主要方法。此外，当热量被限制在纺织品内时，热传导是唯一能散热的方法。

3.1 隔热保暖纺织品

生物启发纤维鼓励使用工程纺织品来实现高效的PTMS，节省了用于维持居住者热舒适度的能源消耗总量的大约47%。有必要制造一种智能纺织品和/或织物，它可以提供与环境的隔绝，并通过向人体释放热量来防止身体散热。Cui等人开发了一种 "冷冻纺纱 "技术，可以大规模生产具有排列孔隙的纤维，类似于北极熊毛发。这种针织品提供了极好的隔热性、透气性和耐磨性。相关工作见已发表文章 （Adv. Mater. 2018, 30 (14), 1706807. ）

图5.隔热保暖纺织品

3.2 导热性制冷纺织品

许多材料被用来合成具有不同程度的PTM的系统，然而，它们的制冷效果取决于高湿度的存在，限制了它们在湿度水平波动的环境中的实际应用。为了克服这一局限性，Gao等人通过3D打印技术，合成了一种具有良好排列、高热传导的氮化硼（BN）/聚乙烯醇（PVA）复合纤维（标记为a-BN/PVA）的纺织品，用于个人制冷管理。 相关工作见已发表文章（ ACS Nano 2017, 11, 11513-11520. ）

图6. 导热性制冷纺织品

4. 双模式纺织品

除了典型的PTM策略外，辐射热管理已被证明是一种有效的选择。通过调整发射率、透射率和反射率，可以对热传递进行不同的控制。经过金属装饰的传统纺织品会将红外能量反射回人体，而不是从人体中带走，用于个人加热。制冷材料需要使用透明的聚乙烯材料将尽可能多的红外辐射引离人体。生产一种同时具有加热和制冷性能的服装仍然是一个重大挑战。

4.1 红外门控纺织品

尽管保持环境温度是日常生活中最基本的需求之一，但将环境温度保持在一个恒定的状态要花费大量的能量。Zhang等人合成了一种动态门控纺织品。将一薄层碳纳米管集成到三醋酸纤维素双形态纤维中。采用三维激光照射技术，制造了具有不同孔隙间隔的碳嵌合聚合物柱的有序阵列，并研究了它们的红外响应，以证明依赖于距离的电磁耦合。相关工作见已发表文章（ Science 2019, 363 (6427), 619−623.）

图7. 红外门控纺织品

4.2 温度适应性的纺织品

Wang等人提出为了设计对生态敏感并能动态控制热/湿度的纺织品，协同的Janus纺织品的两面都应具有双向二极管式的水传输和随温度变化的可调控热耗散。相关工作见已发表文章（ Adv. Funct. Mater. 2020, 30 (6), 1907851.）

图8. 温度适应性的纺织品

5. 响应性热管理纺织品

为了管理人类的生理和热舒适度，这些多功能纺织品和可穿戴材料具有成本效益、可持续发展和易于制造的特点；然而，它们是静止的，对周围的动态环境没有响应。因此，迫切需要一个 "完美 "的热管理平台，将被动系统的优势（低成本、实际执行和能源效率）与动态控制的能力结合起来。

5.1 力响应

Leung等人将空间毯的静态红外反射结构与动态变色结构相结合。 空间毯（图9a）与乌贼皮（图9b）的动态变色能力相结合，创造出一种具有可调控温度特性的混合织物。相关工作见已发表文章 （ Nat. Commun. 2019, 10 (1), 1947.）

图9. 力响应

5.2 颜色响应

Cai等人说明了一种策略，无机纳米颗粒被认为是高度可扩展、色彩鲜艳的红外透明织物的候选者。无机纳米材料（如普鲁士蓝（PB）、氧化铁（Fe 2O 3）和硅（Si））作为颜料，而PE作为聚合物基体，均匀地混合这两种成分，随后可被挤压成针织交错织物。相关工作见已发表文章 （ Joule 2019, 3 (6), 1478−1486.）

图10. 颜色响应

5.3 汗水响应

为了同时表现出散热和排汗，Dai等人合成了一种疏水性/超亲水的Janus聚酯/硝化纤维素（PE/NC）纺织品，它在整个汗液运输过程中促进了大量的散热。Miao和同事们提出了另一种具有仿生蒸腾作用的衣服，其递减毛细孔尺寸的分层微孔结构和定向聚氨酯/氮化硼纳米片（PU/BNNS）纤维受到血管和间叶组织的启发。用于有效的个人干燥和制冷，旨在缓解水运输和传热能力之间的困境。相关工作见已发表文章（ Adv. Mater. 2019, 31 (41), 1904113； Adv. Funct. Mater. 2021, 31 (14), 2008705.）

图11.汗水响应纺织品

6. 总结和展望

随着社会的发展，个人的舒适度已经逐渐变得至关重要。研究人员对PTMS给予了极大的关注，因为它们对人类的舒适性、健康和生产力以及能源效率都很重要。总的来说，近年来PTMS的概念和战略经历了许多进展（图12）。

图12. 用于PTMS的热管理纺织品的最新进展

热管理纺织品仍然有许多障碍需要克服。首先，由于实际应用不匹配，有必要缩小实验室规模试验和商业化之间的差距。此外，设计的纺织品需要克服体温调节和可穿戴性的对立效果的困境。。

由于外部环境处于动态状态（湿度和温度的变化），动态PTM技术对于调节人体的热传导以稳定热舒适度可能更具优势。智能纺织品可以在 "制冷"和 "保暖"模式之间转换，以提供穿着者的热舒适区。

此外，许多生物物种具有非凡的热调节能力，它们利用这种能力在恶劣的环境条件下生存。

人工智能辅助的反转设计可能会与创新的布匹微结构相搭配。具体而言，可将灵活的电子和能量收集装置集成到PTMS的改性纺织品中，并通过蓝牙与手机上的数据系统连接，以开发下一代智能服装，它能够执行各种任务，如热舒适、温度检测、数据处理和自供电实施药物。

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文献链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c10279

来源：高分子科学前沿

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