在碳中和的國際背景下，能源消耗以及資源匱乏是擺在人們面前亟待解決的重大難題。據不完全統計，人們每年用于調節自身舒適度的能耗大約占年總能耗的 40%，其中很大一部分是用于人體熱管理（PTM）。而隨著人口數量增加以及社會發展，能源需求將會不斷增加，從而將進一步進入全球變暖和能耗增長的惡性循環。而紡織品作為人類最早的發明之一，已經成為人們必不可分的生活必需品，因此，如何從全球緊迫的能源威脅角度出發，基于對傳統織物材料結構的創新性設計，以實現無能量輸入模式下對人體微氣候的有效調節，是解決能源可持續性發展的關鍵。目前，國內外研究學者已經在此領域取得了一定的階段性成果，但大部分研究主要是聚焦通過材料的內部結構設計以達到個人局部制冷的節能效果，難以實現在低溫環境下的人體對熱量的需求。因此，開發出既能夠實現冷卻模式，也能實現加熱模式的智能穿戴四季服，是極具挑戰性的科學問題，更是未來減少氣候控制能源使用的有效途徑。
針對上述科學問題和關鍵影響因素，近日，南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授通過采用微流控氣噴紡絲技術（微流控納米氣噴紡絲機由南京捷納思新材料有限公司提供）設計一種三明治結構織物，基于調控有序光子結構實現反射冷卻效果以及納米銀層的焦耳特性，創新性地開發出一種能夠同時具備冷卻和加熱模式的四季服，這極大地促進未來智能穿戴紡織品的發展。采用微流控氣噴紡絲技術(MBS)制備尼龍66（PA 66）納米纖維支架，金屬Ag納米粒子和聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-α-甲基丙烯酸酯)(聚(St-BA-MAA))膠體粒子沉積在PA 66納米纖維上，形成先進的三明治結構織物。這種織物不僅具有輕巧、靈活、智能的特點，而且可以通過充放電實現加熱和冷卻模式，實現熱調節。研究結果表明，與傳統棉織物相比，制備的四季服織物使環境溫度設定點降低了7.9 ℃。此外，在施加電壓大小為1.5-4.5 V時，織物溫度相比如環境溫度提高了8.5-23 ℃。更重要的是，在保證人體安全的前提下，將四季服織物應用于可穿戴PTM器件，不僅在夏季可將人體周圍溫度降低高達7.8 ℃，而且在冬天或者寒冷天氣下使人體周圍環境溫度最高升高13.2 ℃。這種四季服織物可同時實現加熱和冷卻的智能功效，有望成為未來智能服裝的一個初步工作，并將對降低全球能源消耗產生重大影響。該研究成果于近日以“Microfluidic-Blow-Spinning Fabricated Sandwiched Structural Fabrics for All-Season Personal Thermal Management” 為題發表在國際重要刊物《Chemical Engineering Journal》(DOI: 10.1016/j.cej.2022.139763)上。南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授與崔婷婷博士后為共同通訊。南京工業大學博士后李國星、博士董婷為共同作者。
該課題得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃、江蘇省高校優勢學科建設工程、材料化學工程國家重點實驗室等基金的資助和支持。
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