新型定制白色光热织物！实用主义与美学之间的桥梁

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

在寒冷的野外保持人类的热舒适对于各种户外活动至关重要，例如体育和娱乐、医疗保健和特殊职业。到目前为止，被用来收集太阳能作为热源以抵御寒冷的气候的衣物面料往往带有暗淡的深色光热涂层，这可能会阻碍时尚在野外和视觉上的实用性。

基于此，来自瑞典斯德哥尔摩大学张淼研究员/袁家寅教授、清华大学曲良体教授和阿卜杜拉国王科技大学王鹏教授团队本文提出了具有强光热效应的特制白织物。通过将CsxWO3纳米颗粒（NP）作为添加剂嵌入尼龙纳米纤维中，使得这些织物能够在阳光下吸收近红外光和紫外光进行加热。它们卓越的光热转换能力使其在不同气候下比厚6倍的商用运动衫温度高2.5-10.5°C。值得注意的是，这种智能织物可以在潮湿状态下提高光热转换效率。它最适合在阳光下，在人类舒适的温度（38.5°C）下快速蒸发汗液或水分，它在体温调节中的作用对于避免野外生存中的过度热量损失同样重要。显然，这种智能织物具有保形、柔软、安全、透气、可洗和按需着色等优点，为实现节能户外温度调节提供了革命性的解决方案，同时满足了时尚和美学的需求。论文以“Tailor-Made White Photothermal Fabrics: a Bridge between Pragmatism and Aesthetic”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图1 选择性太阳能吸收和卷材制造策略

特制光热织物的制备和表征

作者选择尼龙纳米纤维作为此后研究光热织物的聚合物基质。并且选择铯钨青铜CsxWO3 NP作为光热添加剂，因为它们具有较强的紫外线和近红外吸收能力（图1b）。同时，CsxWO3涂层的高可见光透射率表明CsxWO3NP不会损害纳米纤维的可见光反射（图1b）。在静电纺丝过程中，CsxWO3 NP完全封装在均匀的尼龙纳米纤维内，如图1c-d和图S10所示，下文称为Cs-Ny复合织物。

图2 Cs-Ny复合材料织物的光热性能

在光学活性CsxWO3 NP的作用下，所有复合织物（Cs-Ny-I/II/III/IV/V）对紫外光（300-400 nm）和近红外光（700-2500 nm）表现出明显的选择性吸收，同时保持高可见光反射（400-700 nm）（图2a）。在300-2500nm的整个测试范围内，织物与聚合物基质中的CsxWO3含量呈正相关，结果表明CsxWO3纳米颗粒赋予复合织物主要的光热效应。

为了评估现实生活条件下的加热性能，在0.6的阳光照射下，Cs-Ny-IV纤维织物覆盖的皮肤在13分钟内达到40.2°C的Tmax，分别比原始尼龙纤维织物（Tmax⁓34.4°C）、白棉布（Tmax ; 8275;35.3°C）和裸露人类皮肤（Tmax 8275\32.0°C）覆盖的皮肤高5.8°C、4.9°C和8.2°C（图2f-g）。作者在布料设计上的创新是通过不仅应用Cs-Ny纳米纤维织物，而且应用任何天然或合成聚合物纤维，以一种材料和节能的方式，可以主动吸收太阳光谱中的紫外线和近红外光。它可以在不使用更厚、更重、更暗的衣服或加热护发素的情况下保持身体温暖，因此有利于在寒冷的环境中广泛使用。

图3 在全球不同地点进行实时太阳能加热测试

此外作者在斯德哥尔摩（瑞典）、州立大学（美国）和吉达（沙特阿拉伯）进行的测试表明，Cs-Ny复合织物观测到的太阳能加热功能在世界各地的不同天气条件下都起作用（图3a）。Cs-Ny IV织物状物可以在晴朗或多云、温暖或寒冷的气候下以无能量的方式加热人体。在闷热干旱的环境中（Tambient高达37.0°C）（吉达），Cs-Ny IV织物的Tmax在~889 W m−2（12:42 pm）的峰值Isolar下达到60.9°C（图3g和3h），可以用作太阳能海水淡化的蒸汽发生器。

可穿戴性评估

除了加热性能外，Cs-Ny-IV纤维织物的拉伸应力为24.8±1.7MPa，接近棉布（28.7±1.2MPa），而其11.5±1.1 MJ m-3的韧性约为棉布（2.3±0.2 MJ m-3）的5倍（图4a）。值得注意的是，将CsxWO3 NP插入尼龙纳米纤维中显著增强了大块织物的机械性能，如图4a所示。它依赖于在变形过程中从纳米填料到复合材料基体的有效应力传递。

Cs-Ny IV纤维织物中的多孔结构允许汗液中的水蒸气从皮肤向外传输，与商用棉布（13.3 mg cm–2 h–1）的水蒸气传输率（WVTR）相当，为13.9 mg cm–1（图4b）。同时，复合纤维织物的纤维结构能够建立汗液传输通道，将皮肤中的水分从皮肤中提取出来并扩散蒸发。当所有样品的一个边缘浸泡在水中时，由于其良好的亲水性，Cs-Ny-IV织物在10秒内显示出11毫米的最高芯吸距离（图4c）。独特的是，Cs-Ny复合纤维织物在干态（白色）和湿态（深蓝色）之间具有对比鲜明的着色转变，如图4d插图所示。也就是说，对于Cs-Ny IV纤织物，从干态（49.7%）到湿态（16.4%），全光反射（300至2500 nm）显著下降（图S26），因为水作为空气和多孔纳米纤维之间的中间介质，有助于减少水/纤织物界面的光散射，增加近红外吸收，从而捕获更多的光。令人印象深刻的是，这一发现很好有助于在阳光下快速干燥潮湿的衣服。此外由于尼龙6和CsxWO3 NP固有的化学稳定性，在阳光下经历了10个循环的溶液（HCl或NaCl）浸泡、水洗和干燥过程后，Cs-Ny IV织物在没有可检测的结构和光学变形的情况下仍然存在（图4f和4g）。

图4 物理性能测试

自然色彩

作者设计的Cs-Ny纤维织物可以通过简单的浸染工艺由低成本的着色剂随意染色。在目前设计用于紫外线和近红外吸收的复合织物中，商业服装染料用于吸收与目标颜色互补的适当可见光（图5a）。例如，白色的Cs-Ny IV织物可以被染成不同的颜色（图5b-d）。用混合染料染色的Cs-Ny IV卷筒纸的UV-vis-NIR光谱测量显示，主要可见光反射波长分别对应于原始颜色：蓝色、绿色和红色（图5e）。由于着色织物的可见光吸收增强（从36.5%提高到51.2%），着色织物与未着色织物具有几乎相同的近红外反射（RNIR~40.5%），在一次阳光照射下，着色织品的温度比未着色织品高5.3 °C（图5f）。同时，这种彩色复合材料设计大大优于相同颜色的尼龙织物（21.2°C）和棉布（13.9 °C）。

图5 可染色性

总结：该工作开发的白色光热织物作为一个前所未有的光热材料平台，可以从时尚的角度染成各种理想的颜色和图案，并在野外环境中伪装隐身要求。同时，由光热复合织物制成的户外衣服、鞋子或潜水服在寒冷的环境中有效地温暖人体，而不会牺牲美观。

来源：高分子科学前沿

转自：“i学术i科研”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！