华中科技大学陶光明教授团队：用于个人热调控的具有柔性和鲁棒性的生物基微结构彩色纺织品

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个人热管理技术的目标是只针对个人体温进行调控，而不需要通过HVAC系统为整个建筑物加热或冷却，在不浪费多余能量的前提下实现人体温度的调控作用。这种维护人体舒适性的高效节能的方式极具潜力，获得了人们的广泛关注。因此，将个人热管理技术融入到可穿戴纺织品中，可实现在节能、热舒适性、可穿戴电子设备以及智能面料等领域中的技术突破。然而，目前对于柔性温控织物的研究仍然存在纤维织物的工作温度有限、舒适性及稳定性差等问题。

华中科技大学陶光明教授带领的CAFF团队在期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上发表题为“Flexible and Robust Biomaterial Microstructured Coloured Textiles for Personal Thermoregulation”的论文。该团队采用亲肤的蚕丝蛋白为原料通过冷冻纺丝方法制备出具有良好隔热性能的微结构纤维（MF），并且通过在纤维微结构中填充PEG相变材料以及在纤维上包覆PDMS涂层制备具有调节人体温度功能的复合温控纤维（PCMF/PDMS）（图1a和b）。

图1 纤维的工作原理、制备与结构形貌表征。

如图1c所示，根据SEM测试显示，MF内部由大量微孔结构构成。根据孔径分布测试，MF中微孔主要分布在0.6-9.1 μm范围内。并且，通过原液染色技术可实现多色（RGB）微结构纤维的制备（图1g）。如图1d所示，将PEG相变材料浸入微结构纤维会导致纤维中的微孔被PEG填充并覆盖，从而制备相变微结构复合纤维（PCMF）。

图2 微结构纤维隔热性能测试。

如图2a和b所示，分别采用红外相机和热电偶对加热台上的MF织物进行隔热性能测试。实验表明，织物在-20-90℃范围内具有良好的双向隔热性能，其隔热性能随着织物层数的增加而增加。此外，MF织物在人体辐射波段还具有极低的红外发射率（图2c）；并且通过与市售保暖织物进行隔热性能对比测试，可进一步说明MF织物具有更优异的保暖性能（图2d）。

图3 PCMF/PDMS复合纤维疏水以及力学性能测试。

如图3a-c所示，PCMF上包覆的PDMS涂层显著提高了复合纤维的疏水性能，并且水滴在织物上具有较大的疏水角（113.1^o）。此外，通过纤维的拉伸、弯曲以及缠绕测试可发现，PDMS涂层也有助于提高纤维的拉伸强度、柔性以及机械鲁棒性能（图3 d-h）。

图4 PCMF/PDMS织物的温度调控性能测试。

如图4a所示，由PCMF/PDMS织物的时-温曲线表明，此织物不仅可以显著延缓环境温度的升高或降低的速度，还具有良好的循环使用稳定性。通过与裸露皮肤和市售聚酯纤维手套对比（分别置于10℃和50℃恒温箱中），可进一步说明此温控织物可应用于人体温度管理，满足个人热舒适性需求。

本文制备MF织物所采用的材料和制造工艺与现有纺织工业相兼容，实现了优异的温度调控性、耐磨性及机械稳定性。这项工作为基于个人热管理的纤维织物的实际应用奠定了基础，进一步推动了节能经济的可穿戴技术的发展。

原文链接：

Wu J., Hu R., Zeng S., Xi W., Huang S., Deng J., Tao G.. Flexible and Robust Biomaterial Microstructured coloured Textiles for Personal Thermoregulation. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020. DOI: 10.1021/acsami.0c02300.

https://doi.org/10.1021/acsami.0c02300

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