一种用于个人热管理的节能复合纺织材料

来源 | Composites Science and Technology

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背景介绍

温度控制和能耗及其对温室效应的影响引起了科学界、政界和工业界的关注。建筑消耗了全球40%的能源，其中三分之一用于调节温度，而许多能源被浪费在无生命的物体上。人体皮肤通过热传导、对流、辐射等方式散热。通过材料系统的设计，可以以被动的方式精确调节皮肤传热，减少不必要的能量消耗。它也适用于户外场景，如军事、体育和医疗，特别是在寒冷的天气。气凝胶纤维由微尺度多孔网络的固相组成，显著降低了热传导和对流。气凝胶纺织品的导热系数很低，在0.02 ~ 0.07 W/mK之间，但通常会有脆性。对于可穿戴纺织品，需要考虑柔韧性。此外，主动采暖常被用作一种热量补充，以应对寒冷的条件，如冬季室外、极地和山区。导电纺织品可以通过焦耳热效应直接加热人体。在几伏电压下，纺织品的温度将达到合适的人体温度(约32℃)，因为环境温度低于20℃。导电纺织品是通过嵌入导电材料，如碳基材料，金属材料聚合物基高分子材料。为了减少能源消耗，需要开发更高效的加热纺织品。此外，由于热管理纺织品的应用场景较多，对红外伪装、电磁屏蔽、散热等功能要求较高。

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成果掠影

为了降低能耗，个人热管理装置备受关注。开发低导热率或低发射率的柔性纤维至关重要，但仍然是一个巨大的挑战。近期清华大学方菲教授课题组开发了一种具有良好被动和主动加热能力的柔性和多功能复合纺织品。通过对孔形貌和固相网络的设计，得到了导热系数为0.037 W/mK的TPU/SiO2气凝胶织物(命名为T-textile)。T-textile还表现出高柔韧性(断裂应变为580%)，而气凝胶纹理的低延性通常是一个问题。同时制备了TPU/Ag (S-textile)导电织物，其低红外发射率为0.40，高导电率为248.99 S/mm。S-textile还具有优良的电磁屏蔽能力(大于75分贝)。模拟皮肤(~27.4◦C)覆盖层ST (S + T)和STT (S + T + T)纺织品可以分别加热到32.6℃和35℃。此外，只有0.6 V，覆盖S-纺织品的模拟皮肤可以加热到50 ℃，而TS纺织品(ST纺织品翻转)达到58◦C。这种复合纺织品提供了隔热、焦耳加热、柔韧性、透气性和电磁屏蔽能力的综合解决方案，使其成为复杂场景的智能个人热管理设备。研究成果以“An energy-saving composite textile for thermal management”为题发表于《Composites Science and Technology》。

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图文导读

图1.T型织物(a)和S型织物(b)的制备原理图。

图2.织物的微观形貌和导热性能。

图3.织物的截面微观形貌以及光谱和机械性能。

图4.模拟的光谱数据。

图5.织物的传热原理和热管理性能示意图。

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