第一作者：彭雨粲
通訊作者：崔屹
第一單位：斯坦福大學
核心內容：
1. 該文從先進織物的設計理念出發，總結了四種不同的工作機制：調控衣物熱輻射性質，調控衣服熱傳導性質，主動加熱/制冷衣物，對環境變化實現智能響應的衣物。針對不同的工作機制，該文討論了在此機制下實現人體保暖及降溫的材料要求、代表性工作及優缺點。
2. 文章最后探討了人體熱管理先進織物的進一步發展，包括從基礎研究到實現商業化應用的挑戰，以及未來可能的發展方向。隨著人體熱管理先進織物的發展，包括織物材料、結構設計、表面處理技術的發展，以及和電子器件結合的智能衣物結合，人體熱管理先進織物必將得到進一步發展并引起更廣泛的關注，越來越多的技術將會在不久的將來實現商業化并真正運用于日常生活中。
人體熱管理
人體熱舒適不僅對身心健康、生命安全、社會生產效率有著重要意義，也極大地影響著建筑供暖、通風和空調（HVAC）系統的能耗。隨著人們生活水平的提高，如何更好地實現人體熱舒適也越來越受到人們的關注。近年來，個人熱管理的概念被提出，其著眼于人體本身及其周圍的局部環境，為實現人體熱舒適提供了一個高效率、低能耗的解決方案。基于此概念，用于提高人體熱管理的先進織物紛紛涌現，為人體熱舒適及建筑節能提供了豐富多樣的選擇及有效的調控方案。
成果簡介
日前，來自斯坦福大學的崔屹教授團隊基于課題組近年來的先進織物研究，聚焦個人熱管理先進織物做了一項及時的綜述與展望研究，在Joule上發表了題為“Advanced textile for personalthermal management and energy”的綜述文章。該文從人體散熱的不同途徑出發，描述了不同先進織物的設計原則、工作原理、材料與結構設計策略以及性能，并針對該領域尚存的技術問題、可能的解決思路和方向進行了深入討論。為相關領域的學者及對該技術感興趣的一般公眾提供了一個快速了解該領域技術進展及未來發展趨勢的參考。
圖1. 人體熱管理先進織物。
要點1：基于納米多孔聚乙烯微米級纖維輻射降溫織物
通常來說，人體通過熱輻射、熱傳導、熱對流以及蒸發帶走熱量，實現身體的熱平衡。人體熱管理先進織物基于人體熱量散失的原理，設計并實現對人體熱量散失的調控，從而實現保溫/降溫效果。
圖2. 人體的基本散熱途徑。
人體作為一個良好的中紅外波段光發射體，不斷向周圍環境通過熱輻射散失熱量。在一般的室內環境下，人體通過輻射散失的熱量可高達總散熱的60%。基于這個背景，崔屹教授課題組開發了對中紅外波段光透明的輻射降溫織物材料——納米多孔聚乙烯材料。這種材料對中紅外波段光有著高透過率，可以使得人體輻射的熱量盡可能多地通過衣物散失到環境中。其中特殊的納米多孔結構又可在不影響紅外透過率的前提下保證其在可見光波段內的不透明度，從而保證正常穿著。納米多孔聚乙烯微米級纖維也已經被開發，并用于大規模生產輻射降溫織物。
圖3. 基于納米多孔聚乙烯材料的對中紅外波段光透明的輻射降溫織物。
室內情況下，有效地實現人體熱量更大程度上向環境散失在很大程度上即可實現降溫效果。然而在室外環境下，有效地降溫不僅要考慮人體向環境的熱量散失，如何有效避免來自于太陽的熱量也是需要考慮的重要因素之一。金屬，無機化合物，納米材料，光學結構等已經被廣泛報道了其對可見光的有效反射性能。將可見光反射材料（如氧化鋅納米顆粒）與中紅外透明材料（納米多孔聚乙烯）結合，可以實現對光譜的選擇性調控，即在可見光波段實現高反射率，中紅外波段實現高透過率，從而達到理想的降溫效果。
圖4. 基于納米多孔聚乙烯材料的戶外輻射降溫織物。
要點2：調控衣物的熱輻射性質與熱傳導實現熱管理
和輻射降溫衣物不同，要實現保溫效果，衣服應盡可能降低人體向環境的熱輻射熱量散失。為實現這個目的，輻射保溫衣物通常采用增強衣物對中紅外波段的反射（降低表面發射率以減少人體向環境的熱輻射）。用金屬材質的fiber織成的衣物有很高的紅外反射率，但是此類衣物重量重、質地堅硬且易碎。金屬/高分子材料做成的復合纖維可以在保持高反射率的前提下提高衣物的柔性。此外，表面修飾普通織物也可實現衣物的紅外高反射率，例如圖中所展示的銀納米線浸涂法以及無電鍍鍍銀方法均可有效提高衣服中紅外反射性能，從而實現保溫效果。
圖5. 低中紅外發射率的輻射保溫衣物。
除了調控衣物的熱輻射性質以外，調控衣物的熱傳導性質也能有效實現個人熱管理。為了實現傳導降溫，高熱導材料被應用到新型織物材料中。例如，碳材料（石墨烯、碳納米管）等材料既有良好的熱導性質也有良好的熱輻射能力，含有一定比例的碳納米管復合物已經被應用在衣物表面處理上并有良好的傳導降溫功能。另外，將高導熱材料復合進纖維也提供了一種實現傳導降溫功能衣物的策略。
例如，Gao等人報道了采用高取向性的氮化硼(a-BN)和聚醋酸乙烯酯（PVA）的復合纖維來增強衣物的熱傳導性能。為了利用增大衣物熱傳導熱阻來實現保溫功能，通常會采用盡可能增大衣物可以包含的空氣比例來增加熱阻，例如日常生活中的羽絨服。除了自然纖維以外，極細纖維（如，3M Thinsulate）和異形纖維也在被開發。由于更小的尺寸和特殊的形狀，這些纖維相較于普通織物纖維可以儲存更多的空氣在纖維之間并限制空氣的對流，從而實現更好的保溫效果。除了盡可能提高纖維之間的空氣儲存量，提高纖維內部的空氣比例也是實現保溫的有效途徑。
Cui等人報道了一種具有取向多孔結構的纖維及其冷凍紡絲的制備工藝。這種纖維的孔隙率可以高達87%，而且它取向性的孔道結構可以幫助其在多孔結構下也實現較好的力學強度。氣凝膠作為一種優異的保溫材料，將其應用在衣物上的研究也在快速發展。不過，雖然其保溫性能優異，它目前在實際應用中還有一些缺陷，例如它的力學脆性、不耐洗性以及及顆粒吸入人體的健康隱患。
圖6. 熱傳導降溫/保溫衣物。
要點3：主動保溫/降溫
調控衣物本身的性質來實現更好的散熱/保溫是實現個人熱管理的有效策略，與之比較，主動保溫/降溫衣物雖然會消耗額外的能量，但是卻能實現更明顯的保溫/降溫效果。焦耳熱被廣泛報道運用在主動保溫的衣物上，其一般由嵌入在衣物表面或纖維內部的導電材料（如，碳納米管、石墨烯、金屬材料、導電高分子等）實現。基于銀納米線的焦耳熱功能，Huang等人將其和鉑納米線的溫度傳感功能結合，報道了一種集加熱測溫及控溫的集成衣物。除了材料的電熱轉換性能以外，研究者們也在著眼于開發新的能量轉換模式。例如，Li等人報道了一種基于MXene的可拉伸太陽能/電能雙加熱器。他們基于仿生原理設計了一種可以在寬光譜上實現高效吸光的具有多級結構的仿生MXene涂層，并利用其實現了可以同時用陽光及電加熱的柔性加熱器。
圖7. 主動加熱保溫衣物。
研究者們也將一些便攜的能量轉換器件與織物結合起來，以實現主動降溫/保溫功能。Zhao等人實現了將便攜的熱電能量轉換器件加到衣物上，此器件可以通過一個樹枝狀的橡膠管道為人體提供低溫或高溫的空氣。Zhang等人通過熱牽引技術將密封的包含有高質量無機熱電材料的柔性基底材料制作成結晶化熱電微米/納米線，然后把此種纖維織進普通織物。這種織物展示了高達5度的降溫效果。研究者們也實現了將輕質便攜的電池驅動型風扇結合到衣物上，用強制對流來為人體提供降溫效果。此外，液體冷卻衣物利用嵌入在衣物上的循環液體冷卻劑不斷將身體熱量帶走。
圖8. 利用便攜能量轉換元件的主動保溫/降溫衣物。
和一般普通織物不同，智能感應織物可以感知環境及人體的變化從而做出響應。首先，各種各樣的相變材料已經被廣泛應用在織物中如有結晶水的無機鹽、線型長鏈烴類，聚乙烯醇及它們的共熔混合物等。其在特定溫度區間內的相變可以吸收或釋放潛熱，從而達到熱調控的目的。再者，具有感應型結構變化的織物也在動態熱調控方面有著巨大潛力。為了實現動態調控輻射、傳導、對流等性質，織物被設計成在厚度變化、孔開關、纖維/紗線結構變化可以實現響應。
例如，Zhong等人基于Nafion膜設計并實現了兩種濕度響應型智能衣物。當Nafion膜的兩面暴露于不同濕度下，其會向濕度低的一側彎曲。因此，此特性被利用且設計了孔隨著濕度變化打開或閉合的衣物，及厚度隨濕度變化的衣物，從而增加或減少人體熱量的散失。Mu等人報道了一種利用商業化PFSA膜內納米尺度上分子孔道的環境響應器，并設計了一種靈感來源于剪紙的單層響應材料來實現人體濕度和熱的管理。Wang等人將微生物膜涂覆在濕度惰性的乳膠材料上以形成一種雙層異質結構膜，這種膜可以在幾秒以內對環境濕度做出響應并改變自己的形狀，基于此，他們制作了可以自動調節濕氣傳輸和熱阻的跑步衣物。
除了列舉的這些工作之外，形狀記憶的聚氨酯材料也被報道在它的玻璃化轉變溫度附近（接近人體溫度）有水氣透過率的變化，如PNIPAAm之類的熱響應水凝膠材料也被運用于人體的動態熱管理。除了著眼于通過調控衣物的對流、水氣透過率等性質來實現智能感應熱調控，Zhang等人報道了織物輻射性質在濕度變化時的響應。他們將三醋酯-纖維素纖維在表面修飾上碳納米管薄層，再編織成織物。在潮濕狀態下，這些由碳納米管修飾過的雙組份纖維會因為兩種成分對濕度的響應差異引起紗線中纖維距離的變近，從而通過碳納米管的共振電磁耦合效應來改變織物的發射率，來實現人體輻射更高的散失。反之，在濕度降低的情況下，纖維會利用相反的響應行為來降低人體輻射散失的熱量。
圖9. 智能感應織物。
小結與展望
用于人體熱管理的先進織物正在經歷一個快速的發展，這個領域的進步不僅為人體熱舒適提供了更多更有效的思路，也對建筑物節能提出了新的解決方案。不過，這個領域也還存在著很多挑戰需要被進一步解決和優化，還有很多方面值得進一步研究，例如：從實驗室級別的概念驗證階段到商業化，衣物的舒適度、力學強度、生物相容性、耐洗性，材料的價格、制備工藝難度、可加工性、環保性等因素都需要被考量并優化解決；測試和評估的標準性和一致性；熱調控新機制的開發；適應特殊極端環境的衣物的開發；結合電子器件的智慧熱管理衣物的開發等等。
參考文獻
YucanPeng et al. Advanced Textiles forPersonal Thermal Management and Energy. Joule, 2020.
DOI: 10.1016/j.joule.2020.02.011
https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.02.011
作者簡介
通訊作者-崔屹教授：1993-1998年就讀于中國科學技術大學應用化學系，1998-2002年就讀于哈佛大學化學系，2003-2005年間在加州大學伯克利分校從事博士后研究工作；并于2005年加盟斯坦福大學。崔屹教授主要研究領域集中在能源存儲與轉化、納米顯微技術、納米環保技術、納米生物技術、先進材料的合成與制造等等，以納米技術為核心，多學科交叉，多方向并進是崔屹教授課題組研究的重要特點。崔屹教授先后在Science(科學)、Nature(自然)、Nature Nanotechnology(自然·納米科技)、NatureMaterials(自然·材料)、Nature Communication(自然·通訊)、JACS(美國化學學會雜志)等世界頂級期刊發表高水平論文400余篇，總被引頻次高達16萬多次。
第一作者-彭雨粲：于2015年在中國科技大學取得材料化學本科學位，從2015年開始在斯坦福大學攻讀博士學位，導師崔屹教授。研究方向為人體熱管理。迄今在國際著名學術期刊Science，Nature sustainability, Joule, ScienceAdvance, Nature Communication等期刊上發表第一作者及署名論文共9篇，申請美國專利3項。
