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近年来，人们已经利用纤维、异形纤维、气凝胶纤维和辐射冷却纤维开发了各种智能纺织品。然而，这些智能纺织品无法在较大的温差下保持热舒适性，而突然的温度波动可能对人类安全构成重大风险。
针对此问题，来自中国科学院苏州纳米所王锦、李清文团队设计并展示了一种气凝胶功能化纺织品被动热调节器(AT-PTR)。AT-PTR由两层光耦合层组成：由二氧化硅气凝胶功能化的聚（亚乙烯基-六氟丙烯）P（VdF-HFP）纳米纤维制成的冷却层和由碳纳米管改性棉织物(CNT@cotton)组成的加热层。AT-PTR在加热面表现出优异的太阳吸收性能，在寒冷的冬季可实现23.2°C的增温性能。在冷却面，其高太阳反射率和红外发射率可在炎热的夏季实现12.7°C的亚环境冷却效果。此外，在不同地区和季节进行的AT-PTR户外现场测试证明了其全季节户外人体热管理能力。
相关研究成果以“Wind-Proof and Moisture Permeability Aerogel-Functionalized Textile as All-Seasonal Passive Thermal Regulators”为题于2024年8月23日发表在《Advanced Functional Materials》上。
图1 AT-PTR的制备过程及其特性
1.AT-PTR的制备和物理特性
如图1a所示，AT-PTR的制造过程简单且可扩展。加热层是通过用CNT分散液简单浸渍棉织物获得的。随后，使用静电纺丝法将二氧化硅气凝胶功能化的P(VdF-HFP)纳米纤维冷却层与加热层耦合。图1b显示了制造的AT-PTR的光学图像。此外，AT-PTR的冷却层表现出高疏水性，其表面上不同水溶液液滴的球形和半球形形状证明了这一点，表明其具有出色的环境防水性能。与当前的热调节器相比，AT-PTR在各种环境中都表现出多功能用途。它通过反射太阳辐射并将多余的热量排放到外太空，从而有效地管理高温环境中的过热，促进亚环境冷却。相反，在低温条件下，它吸收太阳辐射以实现被动加热（图1c）。这种能力可确保将人体温度维持在舒适的范围内。
SEM表明AT-PTR的冷却侧具有相对均匀的纤维分布（图2a），加热侧的CNTs@cotton织物显示出纤维表面被CNT均匀覆盖（图2b）。为了展示AT-PTR的总体情况，图2c显示了横截面形态及其能量色散X射线光谱(EDX)映射。值得注意的是，纳米纤维在冷却侧上方清晰可见，而加热侧下方则以棉纤维为主，前者仅检测到F和Si元素。此外，图2d展示了加热侧和冷却侧的3D共聚焦显微镜图像，可以看到纤维的分布和排列。AT-PTR由天然纤维和柔性聚合物纳米纤维组成，具有出色的可切割性，可切割成复杂的形状。这种能力对于复杂设计和精确切割尤为重要。由于P(VdFHFP) 和二氧化硅气凝胶固有的强红外辐射特性和物理粗糙结构，AT-PTR 呈现出独特的光谱响应度。AT-PTR的冷却表面在整个太阳波长范围内表现出高达94%的出色太阳反射率 (Rsolar)，有效减轻了太阳辐射的热量增加（图2e）。
图2 AT-PTR的性质
2.AT-PTR的被动热调节原理
为了确定AT-PTR的热调节能力，同时观察了腔内的温度变化和太阳辐射强度（图3a-b）。在上午10:30至下午2:00的连续测试期间，平均太阳辐射强度为693 W m−2。AT-PTR的温度始终保持在32 °C以下，平均比腔体低12.7 °C。AT-PTR 加热性能的评估如图3b所示。在上午10:30至下午2:00的整个测试期间，AT-PTR的温度比周围环境高出23.2°C，峰值达到43.2°C，平均太阳辐照度为570 W m−2，太阳热能转换效率(solar-th)可达75.6%。随后，作者讨论了AT-PTR的冷却和加热机制，阐明了其被动热调节性能（图3c）。
图3 AT-PTR的被动热调节原理
3.DT-PTR的多场景应用
AT-PTR的被动热调节性能在实际应用中受地理区域和气候的影响。因此，通过在不同地区和不同时间段的一系列实验对ATPTR的被动热调节性能进行了进一步评估。图4a示出了2023年8月在乌鲁木齐测试的降温性能。在测试期间，AT-PTR的温度始终低于腔体温度和白色棉织物的温度，AT-PTR比腔体温度低9.1°C，比白色棉织物低9.4°C。腔体温度最高达到57°C。图4b描绘了2023年10月在苏州测试的夜间降温性能，其中AT-PTR比腔体温度低8.3°C。图4c展示了2023年10月在苏州测试的加热性能，AT-PTR比腔体温度高24°C，比黑色棉布高9.4°C。
与热对流和热传导不同，热辐射促进物体之间的热传递，无需中间介质。利用这一原理，作者开发了一种具有双接口的被动热调节器，用于管理不同温度环境下的热流。在高温条件下，AT-PTR的冷却侧通过ATW有效地将多余的体热散发到外太空（3 K）。相反，在低温条件下，冷却侧吸收太阳辐射（6000 K）将热量传递给人体。只需翻转AT-PTR即可实现热流的被动定向控制，从而在各种环境温度下保持热舒适度。能量流的差异对于确定人体热舒适度至关重要。在炎热条件下，棉织物覆盖的皮肤吸收了环境中多余的热量，导致热感（图4d）。相反，AT-PTR覆盖的皮肤向外散发热量，保持凉爽的感觉。在寒冷的环境中，棉织物覆盖的皮肤会向周围环境散热，导致寒冷，而AT-PTR 覆盖的皮肤会吸收热量，确保温暖。这凸显了能量流不平衡与阳光照射下人体热舒适度之间的联系。
图4e展示了夏季的能量流动情况，表明棉织物和裸露皮肤分别需要额外的271 W m-2和345 W m-2的冷却功率，而AT-PTR无需额外的冷却功率即可散热。在冬季，棉织物和裸露皮肤分别需要额外的54和21 W m-2的加热功率，而AT-PTR无需额外的加热功率即可吸收热量（图4f）。模拟和实验结果均证实了AT-PTR在户外环境中进行被动热管理的可行性。
图4 不同场景、不同地域热调节测试及不同覆盖纺织品包裹皮肤能量流的理论分析
4.AT-PTR的耐候性和耐磨性
除了热调节之外，AT-PTR的性能和耐候性对于实际应用也很重要。考虑到使用过程中天气波动的可能性，确保AT-PTR在不同的户外条件下持续性能至关重要（图5a）。为了评估其耐用性，将三个样品暴露在不同的户外环境中（测试期间包括雨天、晴天和阴天条件），放在恒温恒湿室中（50°C，90% RH），并浸入水中一周。对其光学特性的分析表明，AT-PTR在暴露于各种环境后，在整个光谱范围内的光学性能变化可以忽略不计（图5b、c）。
对于户外运动爱好者，尤其是那些在高海拔地区或冬季冒险的户外运动爱好者来说，服装的防风、防水、透湿特性至关重要（图5d）。对AT-PTR和商用棉织物的水蒸气透过率(WVTR)和透气性进行了评估（图 5e）。AT-PTR符合FZ/T01149–2019防风和透湿性能二级标准。此外，如图5f所示，加热面可有效吸收皮肤上的液滴，加速出汗皮肤的干燥过程。这种能力主要归因于 CNTs@Cotton 的亲水性，而冷却面的疏水性可防止外部液滴引起不适。
为了确定 AT-PTR 的实际室外热调节能力，将其冷却和加热表面缝制在白色棉质衬衫上并实时监测温度（图5g）。图5h中的红外图像描绘了AT-PTR冷却和加热表面在70分钟内的温度波动。冷却表面始终保持约27.5 °C，而加热表面在5分钟内迅速达到45 °C。这些结果验证了AT-PTR 通过可逆翻转提供增强PTM的有效性。
图5 AT-PTR的可穿戴性
综上，本文介绍了一种气凝胶功能化纺织品，其结合界面专为被动热调节而设计，可在高温下提供有效冷却，在低温下提供高效加热。在夏季，冷却功能通过被动辐射冷却和卓越的透湿性实现了12.7°C的显著降温。相反，在冬季，加热功能利用太阳能将温度升高23.3°C，同时减少风的影响。此外，AT-PTR的多功能性使其能够在各种天气条件、温度范围和地理位置中应用。例如，在吐鲁番昆塔格沙漠的极端高温下，地面温度超过60°C，与白色棉织物相比，AT-PTR可显着降低16.8°C。计算分析强调了其在阳光下管理热流的能力，确保穿着者的热舒适性。凭借其可扩展性和在多种场景中证明的有效性，这项被动热调节技术有可能改变户外PTM。
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