人體表面小氣候是指人體周圍的氣候條件，包括溫度、濕度和氣流。這種小氣候顯著影響人類的舒適和健康。保持適當的溫度和濕度水平對于確保身體舒適，防止感覺過熱或過冷的不適，并盡量減少與水分有關的問題至關重要。這些最佳條件還可以緩解皮膚問題，如干燥或過度出汗。此外，適當的小氣候可以減少疲勞和不適，從而潛在地增強免疫系統功能。傳統上，小氣候控制方法主要是主動的，需要根據外部變化進行行為調整。這包括使用能源密集型設備，如空調、加濕器和除濕器來調節室內溫度和濕度。目前，人類微氣候控制的主要方法是被動管理。這需要使用先進的材料和紡織技術來開發服裝或紡織品，以有效地調節人體的溫度或濕度。近年來，以有效調節濕度或溫度為目的的功能性纖維織物應運而生。在控制濕度方面，普遍的方法包括沿織物厚度方向構建親水性梯度，以促進排汗。對于熱管理，常見的策略包括采用導熱或相變材料，集成輻射冷卻材料和利用蒸發冷卻技術。
基于上述見解，研究者們提出了一種簡單的兩步制造工藝，以制造一種具有強散熱性的雙層織物，同時促進定向汗水輸送。具體來說，通過靜電紡絲在纖維素棉纖維(CCF)表面生長高彈性熱塑性聚氨酯(TPU)，然后在纖維表面超聲波加載氮化硼納米片(BNNS)，從而開發出可穿戴的janus型織物。CCF具有親水性，而TPU具有疏水性。這兩層之間的親水性差異建立了一個有效的定向汗液輸送系統。由于BNNS具有較高的固有熱導率，所制備的織物具有優異的傳熱性能。通過排汗蒸發和高散熱性能的綜合積極作用，有效調節表面溫度和濕度。
相關成果以“Thermally Conductive Boron Nitride Nanosheets on Electrospun Thermoplastic Polyurethane for Wearable Janus-Type Fabrics with Simultaneous Thermal and Moisture Management”為題發表在國際知名期刊《 ACS Applied Nano Materials 》上。
研究結論
總之，這項研究已經成功地開發了一種Janus-type智能織物，具有熟練的熱量和濕度調節能力。將親水性CCF與疏水性TPU/BNNS結合制備了雙潤濕性梯度膜。這種創新的方法消除了為獲得親水性而進行額外修飾的要求。此外，這種雙層潤濕梯度膜的結構提高了汗液的輸送效率。導熱BN的加入使其導熱系數提高了667.5%，達到0.307 W/mK，同時將其熱阻降低到10.62 K cm2 /W。實際溫度測試表明，表面溫度比傳統棉織物高3℃。同時，該織物具有優異的水分管理能力，水滴在2 s內快速傳輸，地表水蒸發速率為0.276 g/h(超過普通棉織物的0.21 g/h)。準靜態模擬揭示了傳遞途徑的不可逆性。織物具有良好的柔韌性和機械強度，在保持原狀的情況下經受多次耐久性試驗，抗拉強度達1.37 MPa，斷裂伸長率達746%。本工作不僅概述了制備策略，還驗證了其在熱、水管理中的有效調節，并描述了其內部物理機制，有望指導未來更有效調節體表微氣候可穿戴織物的開發。
研究數據
圖1 CT/BN織物的制備工藝示意圖。
圖2 (a)原始TPU纖維和通過不同濃度BNNS獲得的纖維的SEM圖像:(b)2mg /mL， (c) 4mg /mL， (d) 6mg /mL， (e) 8mg /mL。(f) CCF表面的SEM圖像。(g) CT和CT/BN的FT-IR光譜和(h) XRD曲線。(i)不同濃度的BNNS得到的薄膜TGA曲線。
圖3 (a)不同BNNS含量的薄膜密度。(b) CT、CF、CT/BN6(平面交叉方向)、CT/BN6(平面內方向)的導熱系數。(c) CF、CT和CT/BN6在不同溫度下的TCR值。(d) CF、CT、CT/BN6 TCR循環試驗。(e) CF、CT、CT/BN6薄膜在加熱試驗中的溫度演變曲線。(f)加熱試驗中CT/BN6、CT、CF膜的紅外熱像圖。
圖4 CT/BN6膜(a)親水性和(b)疏水性的接觸角測試。(c) CT/BN6膜的反重力液滴輸運試驗。(d) CT/BN6膜與CF膜中水輸運的不可逆性比較。CT/BN6膜(e)疏水性和(f)親水性的準靜態模型分析。
圖5 (a) CT/BN6的彎曲、拉伸、纏繞、扭轉、撕裂示意(b)不同BNNS含量薄膜的應力-應變曲線。(c) CF與CT/BN6的水分蒸發比較。(d) CT/BN6和CF在體表的水分蒸發試驗及相應記錄的濕度變化。(e)顯示排汗能力。(f)織物在室內外環境下的實際熱管理性能。
原文鏈接
https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00838