文献解读 | 东南大学赵东亮Chem. Eng. J.一种纳米结构双层非对称润湿性纺织品，用于在高温环境中有效的个人热和湿度管理
东南大学赵东亮在Chemical Engineering Journal上发表了一篇题为“A nano-structured bilayer asymmetric wettability textile for efficient personal thermal and moisture management in high-temperature environments”的文章，采用冷冻干燥和静电纺丝的方法，制备了由香蕉树纤维素气凝胶膜(BTCAM)和氧化锌纳米粒子掺杂的热塑性聚氨酯纳米纤维(ZnO-NPs/TPU)组成的双层非对称润湿冷却膜(BAWCM)。该产品具有良好的隔热性能，从而在环境温度高于人体温度时减少热量输入。同时，该纺织品在0.37–2.5 μm波长范围内具有91.3%的高反射率，在8–13 μm波长区域内具有90.2%的红外发射率。在室外试验中，证明了BAWCM织物在阳光直射下可比棉花低9.3°C。更重要的是，织物可以有效地实现定向排汗，以加速蒸发冷却，防止粘滞和灼热感。通过集成优异的隔热、增强的辐射冷却和持续排汗干燥能力，这种新型纺织品在高温环境中显著提高了个人的热和湿度管理性能。
研究背景
近年来，具有高太阳反射和高红外辐射的日间辐射冷却纺织品被提出来实现户外个人热管理，这可以缓解过度能源消耗和环境污染的问题。当环境温度高于或接近皮肤温度时，人体的散热不再以热辐射为主，而是以汗液蒸发和隔热为主，在这种情况下，单一功能的日间辐射冷却纺织品无法完全满足个人热管理的需求。因此，如何在高温环境下提高户外人们的热舒适度仍然是一个巨大的挑战。
在高温环境中，由于商业服装无法减少从环境到皮肤表面的热量传递，皮肤温度升高并排出大量汗液。虽然出汗是一种常见的体温调节机制，但不幸的是，如果大量汗液不能快速有效地蒸发，人体舒适度可能会受到负面影响。因此，将纺织品隔热与高效的汗液蒸发和辐射冷却相结合，在高温环境下实现个人热和湿气管理，最大限度地散热，最小化流向人体的环境热流具有巨大潜力。
研究人员设计了一种新型的隔热气凝胶薄膜纺织品，它具有三个功能，以实现个人在高温环境中的热和湿度管理: 最大限度地提高服装的热绝缘，促进汗液的蒸发，以及提高服装的辐射冷却。纺织品为双层非对称润湿冷却膜(BAWCM)，由于其固有的低热导率，BTCAM层可以减少高温环境对人体的热传导。此外，由于碳氢键和碳氧键的存在，BTCAM层在主大气窗口具有较高的红外发射率。通过静电纺丝加入一层ZnO-NPs/TPU，可以显示出较高的太阳反射率，从而有效地减少了太阳热输入。通过采用非对称润湿性结构，纺织品表现出良好的定向汗液。且该制品具有成本低、生物相容性好、可回收、可降解、环境友好等优点。
图1 BAWCM纺织品的设计和制造
（a）BAWCM纺织品制造工艺示意图。（b）BAWCM纺织品和相关传热过程示意图。（c，c1-c3）BTCAM层的照片和SEM图像，插图为纤维素纤维的直径分布。（d，d1-d3）ZnO NPs/TPU层的照片和SEM图像
亮点：采用冷冻干燥和静电纺丝两步法制备柔性BAWCM织物（图1a），低热导率BTCAM为外层，以减少高温环境中从环境到人体的热传递。此外，由于纤维素纤维之间形成的多孔网络结构所提供的高散射，它还增强了太阳反射率（图1b）。外，BTCAM可以通过分子振动在大气窗口中发射热辐射。通过静电纺丝在BTCAM上制备一层疏水性ZnO NPs/TPU作为内层，以形成分级润湿性结构，这导致BAWCM织物通过定向排汗有效蒸发散热。
ZnO-NPs/TPU层为白色(图1d1)，进一步提高了太阳反射率。纳米纤维中含有密集且随机分布的纳米级凸块和大量的微纳米尺寸交织孔，这不仅为排汗和透气性提供了畅通无阻的通道，而且还提高了BAWCM纺织品的整体柔韧性和机械性能。
图2 BAWCM纺织品的隔热性能
（a）高温环境下棉花和BAWCM纺织品的传热示意图。（b） BAWCM纺织品和棉花的导热率，插图显示了BTCAM层的SEM图像。（c） 隔热性能测试装置示意图。（d） 模拟环境温度为55.9℃时，样品和环境的上表面温度。（e）不同模拟环境温度下的样品和环境上表面温度。（f） BAWCM纺织品和棉花在不同模拟环境温度下的隔热性能。
亮点：纤维素气凝胶膜被选择作为BAWCM纺织品的外层，以减少从环境到人体的热传递。如图2a所示，当环境温度高于皮肤温度时，来自环境的大部分热量可以通过棉花到达皮肤，导致皮肤温度上升。而BAWCM 纺织品可能会阻碍从周围环境到皮肤的热传递。与棉织物(0.078 w·m-1·k-1)相比，BAWCM纺织品的热导率较低，为0.040 w·m-1·k-1。
随着模拟环境温度的升高，棉花的表面温度升高速率也高于BAWCM纺织品（图2e），加热板与BAWCM纺织品之间的温差远高于加热板和棉花的温差，并且温差随着模拟环境温度的升高而增大（图2f），BAWCM纺织品在防止高温环境向人体传热方面非常有效。
亮点：通过在BTCAM层上静电纺丝一层疏水性ZnO-NPs/TPU纳米纤维阵列，实现了由各向异性毛细管力驱动的定向出汗传输。作为内层，疏水性ZnO-NPs/TPU能够将汗液从皮肤输送到BTCAM层（图3a），促进汗液运输。
在图3c 中可以清楚地看到，汗液在76毫秒内迅速湿润并完全铺展在亲水层上，这表明 BTCAM 层具有很强的汗液吸收能力。如图3d所示，由于疏水层的重力和阻力，向上接触到疏水层表面的汗滴缓慢渗透到亲水层中，然后由于BAWCM织物的各向异性毛细力，接触角在最后5秒内迅速降至零，BAWCM织物具有有效的除汗性能。
并且与棉花相比，放置在两个相对湿度不同的聚苯乙烯箱之间的BAWCM纺织品在相同温度下更快地达到相对湿度的平衡（图3g）。这归功于其不对称的润湿性结构和相邻纤维之间的微纳米通道。所有这些都表明BAWCM纺织品具有出色的热和水分管理性能。
图4 BAWCM织物的光谱和室外冷却性能
(a)棉、BTCAM和BAWCM纺织品的太阳反射率和热发射率。(b)图片及(c)户外冷却性能测试装置的示意图。(d)记录的太阳辐射。(e)实验期间环境温度、棉布覆盖皮肤模拟器、 BTCAM 纺织品覆盖皮肤模拟器和BAWCM纺织品覆盖皮肤模拟器。
亮点：在可见光谱中，BAWCM纺织品的反射率（94.5%以上）几乎与BTCAM的反射率（94.0%）相当，而明显高于棉花（91.9%）（图4a）。BAWCM纺织品由于其微纳米孔结构可以增强散射，也表现出较高的近红外反射率。
对三种材料进行了户外冷却性能对比，发现当环境温度在45.1°C左右时，覆盖在模拟皮肤上的BAWCM纺织品的温度远低于BTCAM和棉花（图4e），这归因于BAWCM纺织品的高太阳反射率和良好的隔热性，与棉花相比最大温度下降9.3°C，表明其在极端高温环境下具有优越的冷却性能。
设计了一种具有优良隔热性、增强型蒸发冷却和高效辐射冷却综合性能的BAWCM纺织品，以实现高温环境下的个人热湿管理。BAWCM纺织品在大气窗口中具有高发射率（90.2%）和强烈的太阳反射率（91.3%）。同时，BAWCM纺织品通过减少从环境到人体的热传递而表现出优异的隔热性能。室外试验表明，BAWCM纺织品在高温环境下与棉花相比具有良好的冷却性能（温度下降9.3°C）。此外，出色的定向出汗、吸汗、汗液蒸发和水分渗透性能被整合到BAWCM纺织品中。凭借出色的热和水分管理性能，这项工作为高温户外环境中的个人管理提供了一种新的方法。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723006502
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