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东华大学丁彬教授团队:三明治结构纳米纤维吸湿排汗,使温度下降约4.2 °C

2022-09-14   易丝帮

纺织品作为皮肤与环境的中间层,通过对局部人体热湿条件的管理,在实现个人舒适和安全方面发挥着至关重要的作用。但是,在炎热潮湿的户外环境中进行剧烈运动或阳光照射,仍然会导致人体热量积聚和过多的汗水。这降低了工业劳动生产率,造成经济损失。

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鉴于此,东华大学丁彬教授和王先锋教授通过使用组合的相分离聚合物涂层和单面疏水电喷涂涂层制造了一种三明治结构的纺织品。该纺织品结合了光谱选择性、高比表面积和 Janus 润湿性,可直接集成户外辐射冷却和连续汗液芯吸干燥,适用于个人热湿管理(PTMM) 应用。三明治结构的纺织品由商业棉纺织品组成,其两侧分别涂有醋酸纤维素分级纳米纤维网络 (CAHNN和水基含氟聚合物 (WFP)。 CAHNN  WFP 涂层都可以像油漆一样简单地应用于棉、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和尼龙等商业纺织品上,使其在实际应用中具有吸引力。 CAHNN 涂层表现出双峰分布的孔径(~0.21 ~1.53 µm),因此提供了宽带光谱选择性,使三明治结构的 CAHNN//WFP 纺织品能够反射 93.4% 的太阳辐照度并发出 96.3% 的 人体红外辐射。

 

这种纺织品具有高比表面积(19.73 m2 g-1),导致汗液快速蒸发率为 0.26 g h-1。对人体进行实际户外冷却测试表明,与商用棉纺织品相比,这种 CAHNN//WFP 纺织品的温度下降了 ∼4.2 °C。这种纺织品的辐射冷却和吸汗排汗特性的协同作用是其出色的 PTMM 性能的原因,从而降低人体汗液消耗并成功避免有害的过度排汗。因此,这种纺织品可以显著减少人体的汗液消耗和户外环境中的过度热应激。相关研究成果以“Sandwich-Structured Textiles with Hierarchically Nanofibrous Network and Janus Wettability for Outdoor Personal Thermal and Moisture Management”为题目发表在期刊《Chemical Engineering Journal》 ( IF 16.744 )

三明治结构CAHNN/棉花/WFP纺织品的设计思路

在这项研究中,基于三个关键概念,合成了一种三明治结构的 CAHNN//WFP 纺织品,以集成室外辐射冷却和连续吸汗排汗特性:(i) 出色的光谱选择性,可同时反射阳光和发射 HBIR 辐射,(ii) 高比表面积可有效帮助汗液快速蒸发,(iii) Janus 润湿性可将汗液从皮肤定向吸走并有助于织物外表面的快速干燥。前两个要求由分层纳米纤维网络涂层解决,该涂层由大量随机分散在纳米纤维结构中的微孔和纳米孔组成。为了满足第三个需求,在原始亲水纺织品上涂上单面疏水电喷涂涂层,以获得整个纺织品厚度的疏水到亲水梯度(Janus 润湿性)。

 

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1三明治结构的CAHNN/棉花/WFP纺织品用于PTMM应用。(a)用分级纳米纤维网络和Jannus润湿性制备CAHNN/棉花/WFP纺织品的示意图。(b)皮肤与环境之间的热汗传递示意图。在(c)干和(d)湿条件下由商品棉和CAHNN/棉花/WFP纺织品覆盖的人体皮肤的红外热图像。(e)一张0.6米宽的棉织物的照片,上面一半涂有CAHNNWFP(f)棉花(虚线)CAHNN/棉花/WFP(实线)纺织品的反射率(黄色曲线,波长为0.3 - 2.5µm)和发射率(蓝色曲线,波长为2.5 - 20µm)光谱,绘制了AM1.5太阳光谱和HBIR辐射图供参考。

 

三明治结构CAHNN/棉花/WFP纺织品制备过程

基于组合相分离方法 (E-VIPS),首先将 CAHNN 涂层(约 50 µm 厚度)施加到商业棉基材(约 500 µm 厚度)上。该方法涉及共存的溶剂蒸发诱导相分离 (EIPS) 和水蒸气诱导相分离 (VIPS)。通过刮刀将由 CA(聚合物)、水(非溶剂)和丙酮(挥发性溶剂)组成的均匀溶液滴铸到棉基材上,并在高相对湿度(~90%)和室温下在空气中干燥(~25°C)。丙酮的快速蒸发导致固相CA从液相水中分离出来,温度显着下降,导致形成微滴。同时,由于极性水和丙酮分子之间的强化学亲和力,水蒸气随着温度的下降开始凝结并扩散到液膜中,从而形成纳米液滴。在水完全蒸发后,构建了具有微孔和纳米孔的分层纳米纤维网络,该网络作为外表面用于反向散射阳光和释放汗水。随后,将具有疏水性全氟烷基 (-C6F13) 链段的 WFP 乳液单面电喷涂在织物的另一侧。疏水性 WFP 负载重量由喷雾时间控制。这种单面电喷涂方法提供了通过原始亲水织物的厚度来控制疏水涂层深度的机会。因此,在 CAHNN//WFP 纺织品的整个厚度上构建了 Janus 润湿性。

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2 CAHNN涂层的形成、光学性质和理论分析。三种不同的独立CA薄膜的SEM图像(a)固体CA, (b) CANN(c) CAHNN(d)测量了不同CA薄膜在太阳波长范围内的反射率光谱。(e)测量了不同CA薄膜在HBIR波长范围内的发射光谱。(f) CA的折射率(n,红色曲线)和消光系数,黑色曲线)显示了其优越的本征光学特性。(g) CAATR-FTIR吸收光谱。(h)模拟CAHNN涂层中圆形微孔和纳米孔的太阳散射效率。

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3 各种商业纺织品上的CAHNN涂层的油漆样的简单性。原始和涂有CAHNN(a)棉花,(b) PET(c)尼龙纺织品的照片,在约50 μ m厚的CAHNN涂层的帮助下,显示不透明的白色外观和出色的太阳反射率。CAHNN涂层(d)棉花,(e) PET(f)尼龙纺织品的截面SEM图像。测量原始和CAHNN涂层的棉花、PET和尼龙纺织品在太阳波长范围内的(g)反射光谱和(h) HBIR波长范围内的发射光谱。

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双面润湿性夹层结构CAHNN//WFP纺织品的连续吸湿排汗。(a)三明治结构的CAHNN/棉花/WFP纺织品的WFP涂层侧的SEMEDS映射图像。(b)不同WFP载荷载荷下CAHNN//WFP纺织品两侧的毛细水上升和(c)各向异性突破压力。(d)通过WFP装载重量为2 g m−2CAHNN/棉花/WFP纺织品的反重力水运()和阻碍水运(),水滴向上移动分别接触底部的疏水和亲水侧。当模拟盐水分别落在(e)亲水侧和(f)亲水侧的顶部中心时,CAHNN//WFP纺织品两侧的相对含水量。(g)原始和夹层结构纺织品的水分蒸发率。

 

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5 CAHNN//WFP纺织品在户外环境中的实际表征。(a)图片和(b)示意图显示了用于测量室外冷却性能的实验装置。(c)中国上海不同纺织品覆盖的皮肤模拟器在连续48小时室外降温测量中的实时温度。记录太阳辐照度(Isolar)和环境温度,以供参考。(d)覆盖棉花和CAHNN//WFP覆盖皮肤模拟器的温度跟踪与汗液蒸发,使用可调节供水来模拟人体汗液。(e)1名志愿者在正午阳光直射下,身穿自制二合一t恤的光学及热像。

 

小结

 

综上所述,采用复合E-VIPS聚合物涂层和单面疏水电喷雾涂层制备了具有室外辐射冷却和连续吸湿排汗的三明治结构CAHNN//WFP纺织品。这些涂层可以像油漆一样简单地应用于实际的PTMM应用。所制备的 CAHNN//WFP 纺织品通过结合固有光学特性和分级纳米纤维网络结构提供出色的光谱选择性,该结构可最大限度地减少来自阳光的热量输入并最大限度地提高 HBIR 辐射热损失。此外,定向水传输和快速水蒸发的创新利用确保了出色的水分管理性能,可将汗水从皮肤上吸走,并有效地蒸发冷却以去除积聚的热量。

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