江南大学王潮霞教授团队JMCA：用于光强监测的太阳能驱动热致变色织物

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阳光是人类生存必不可少的条件之一，但过度照射会对人体造成伤害，甚至会引发皮肤癌。为了方便人们更及时的避免太阳辐射的伤害，一种简单的监测太阳光强度的方法有望应用于日常生活中。通过特定波长光的照射下，光致变色纺织品可发生变色，然而，光致变色面料的应用和推广受到常规印染工艺下光致变色材料对纤维亲和力差的限制。因此，如何采用相对简单的工艺制备具有高光学对比度和灵敏光强监测性能的变色纺织品，从而实现对人体皮肤的防护，仍存在挑战。

为了解决这个问题，王潮霞教授团队通过在涤纶织物表面印刷太阳能驱动的热变色浆料，成功地制备了具有光强监测功能的太阳能驱动热变色织物，建立了光照强度与织物温度以及织物颜色三者之间的响应关系。该织物在太阳照射下，颜色由环境温度(21.5 ℃)下的橙色变为可见的绿色(38.0 ℃)，这归因于光热转换产生的热量。一旦光源关闭，温度迅速下降到环境温度，太阳能驱动热变色织物(SDTCF)的颜色立即回复到最初的橙色。结果表明，太阳能驱动热变色织物可根据颜色变化实时监测太阳光辐射强度，避免过度的太阳辐射对人体皮肤造成的伤害，为人体保护和健康管理提供依据。

图1 太阳能驱动热变色织物的辐射光强监测性能

图2 太阳能驱动热变色织物表面太阳光耗散示意图(a); SDTCF在200~ 600 W m^-2辐照强度下的光热转换(b); SDTCF的最高温升(c); (d) SDTCF20 min内每1 min记录的红外图像。SDTCF (e)的蓄热; 氙灯(500 W m^-2) 照射的SDTCF示意图(f); 辐照光密度与辐照距离和辐照角的线性拟合(g); SDTCF在不同距离和照射角度(h)下的温度变化。

当入射的阳光照射到SDTCF上时，由于SDTCF表面存在太阳驱动的热变色浆料，一小部分阳光立即被反射。进入的阳光被炭黑粒子捕获，并以光热转换产生的热量的形式在纤维内被吸收或消散，有助于充分利用入射的阳光（图2）。同时，由于具有空气层结构的聚酯织物结构致密，表面粗糙，残留入射光被多次反射进一步吸收和耗散。随着辐照强度从100 W m^-2提高到600 W m^-2, SDTCF的平衡温度由32.2 ℃快速升高到52.6 ℃，表现出高效的光热转换性能。

图3 (a) SDTCF (8cm ×8 cm)在太阳照射下的光热变色行为; 环境温度对SDTCF变色性能的影响(b); SDTCF的Lab、色差(c)与CIE 1931色度图(d)的关系; (e) SDTCF在不同辐照强度下的颜色深度。(f)在太阳照射下和无太阳照射下每30 s测量一次的SDTCF图片。

视频1 太阳能驱动热变色织物的光热变色过程

室温下，SDTCF呈橙色，在500 W m^-2光强作用2 min后颜色逐渐变为绿色(图3)。当光源关闭后，SDTCF温度迅速冷却到环境温度，并在2 min内呈现最初的橙色， 表明SDTCF获得了高的光学对比度和敏感的变色性能。通过在5℃、10℃、15℃和27℃的环境温度下测试了SDTCF的变色性能发现，环境温度对SDTCF的变色性能没有影响。其次，随着加热和冷却循环次数的增加，SDTCF在太阳照射下的平衡温度保持不变，说明其具有稳定的光热转换性能，为实现其稳定光热变色提供条件（图4）。因此，SDTCF的制备在基于光热转换器件的变色监测辐照光强方面具有潜在的应用前景。

图4 SDTCF在100次反复加热-冷却循环下的变色特性, 色深(a), CIE 1931色度图(b), 反射率(c), Lab值, 色差(d); (e) SDTCF在100次反复加热-冷却循环下的温度-时间曲线。

相关工作近期以“Solar-driven thermochromic fabric based on the photothermal conversion for light intensity monitoring”为题，在期刊Journal of Materials Chemistry A上发表。江南大学纺织科学与工程学院博士生葛方青为该论文的第一作者，江南大学纺织科学与工程学院王潮霞教授为通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D1TA04073A 

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