研究背景
寒冷气候中，维持人体温度相对恒定对人类健康具有重要意义。传统的加热策略（暖气、空调和火炉等）会消耗大量不可再生能源并产生CO2，加剧能源危机和温室效应。人体热量的50%以红外热辐射的形式散发出去，倘若能够提升衣物的红外热辐射拦截能力，就可实现人体皮肤的升温。被动式制热织物通过抑制人体热辐射耗散，同时捕获阳光进行光热转换，对人体皮肤微环境进行加热，具有高效、节能的优点。当前性能优异的辐射制热面料多以聚合物为基材，如纳米多孔聚乙烯等，存在来源有限和耐用性差的问题。因此，选用来源广泛的柔性基材开发长久耐用的辐射制热织物亟待解决。
研究内容
鉴于此，陕西科技大学马建中教授、吕斌教授团队以亲肤舒适的棉织物为基材，通过在棉纤维表面原位生长聚吡咯（PPy）、并在其背侧组装银纳米线（AgNWs），随后涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS），构筑了一种具有不对称结构的辐射制热棉织物（ANCPS），并将其应用到人体热管理（图1）。ANCPS外侧PPy的高光捕获能力，确保其优异的光热效率。内侧形成的致密AgNWs网络能够将大部分人体热辐射反射回人体皮肤，赋予ANCPS优异的辐射制热性能。PPy和棉纤维的羟基之间形成的大量氢键及PDMS的涂覆保证了ANCPS的长久耐用性。
图1（a）ANCPS的制备示意图；（b-e）ANCPS的光热转换（b）、辐射制热（c）、电加热（d）和耐用性（e）的示意图
织物的辐射制热性能取决于其对人体热辐射的截留能力。人体皮肤发射的热辐射大多集中在9.5 μm左右，因此测试了ANCPS中红外波段（7-17 μm）的反射率。ANCPS的中红外反射率为76.3%（图2a），表明ANCPS可以将大部分人体热辐射反射回人体皮肤从而实现辐射制热。模拟皮肤测试（图2c）和人体皮肤测试（图2d）均证明ANCPS具有优异的辐射制热效果。
图2（a）ANCPS和棉织物的中红外反射率；（b）辐射制热测试装置示意图；（c）模拟皮肤测试ANCPS的辐射制热效果；（d）人体皮肤测试ANCPS的辐射制热效果；（e）ANCPS和棉织物覆盖人手掌的红外热成像照片；（f）ANCPS辐射制热原理图
将可再生的阳光转化为热量，对户外人体热舒适性意义重大。高的太阳光谱吸收率是实现高光热转换的关键。ANCPS的平均太阳光谱吸收率为97.4%，而棉织物的仅为11.9%（图3a），表明ANCPS具有优异的光热转换能力。氙灯模拟（图3c）和室外晴天（图3g）或阴天（图3h）光热升温测试表明，ANCPS相较于棉织物均具有更好的光热转换效果。
图3（a）ANCPS的太阳光谱吸收率；（b）光热转换性能测试装置示意图；（c）氙灯照射下ANCPS的光热转换性能；（d-e）氙灯照射下棉织物（d）和ANCPS（e）的红外热成像照片；（f）ANCPS的光热循环稳定性；（g-h）ANCPS在晴天（g）和阴天（h）的光热转换性能
经过多次磨损、弯曲和洗涤，ANCPS仍然保留高的太阳光谱吸收率和中红外反射率（图4），表明其具有长久耐用性。此外，ANCPS还具有优异的电磁屏蔽、自清洁和可穿戴性能。上述特性确保了ANCPS作为辐射制热织物的多场景应用。该研究为实现理想的人体热管理提供了一条新途径，并有望助力对缓解能源危机和温室效应。
图4（a-c）ANCPS在磨损（a）、弯曲（b）和洗涤（c）后的太阳光谱吸收保持率;（d-f）ANCPS在磨损（d）、弯曲（e）和洗涤（f）后的中红外反射保持率
该成果以“A wearable textile with superb thermal functionalities and durability towards personal thermal management”为题于国际期刊《Chemical Engineering Journal》发表。第一作者为陕西科技大学2020级博士研究生唐立涛，通讯作者为陕西科技大学吕斌教授、高党鸽教授和马建中教授。
文章信息
Litao Tang, Bin Lyu*, Dangge Gao*, Zhangting Jia, Jianzhong Ma*，A wearable textile with superb thermal functionalities and durability towards personal thermal management[J]. Chemical Engineering Journal 2023, 465: 142829.DOI: 10.1016/j.cej.2023.142829.
文章连接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142829
