来源 | Advanced Fiber Materials
原文 | https://doi.org/10.1007/s42765-022-00164-5
一、研究背景
人体热舒适对身心健康、生命安全和社会生产效率等均有重要意义，特别是在缺少空调等温度调控设备的室外环境，如何更好地实现人体热舒适受到人们的广泛关注。由此，室外人体热管理的概念应运而生，相继涌现出用于提升室外人体舒适度的先进功能织物。
二、研究内容
南京林业大学功能高分子材料研究团队基于静电纺丝工艺和原位氧化聚合，制备了一种既可降温又可保暖的双模式热管理纤维织物。该织物由偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）和聚吡咯（PPy）两种有机聚合物组成，制备工艺简单并可实现大规模生产，且无需通过复杂的磁控溅射或化学沉积等方法复合金属或无机非金属材料即可实现制冷和加热双功能一体化。研究成果以“An Easy-to-Prepare Flexible Dual-Mode Fiber Membrane for Daytime Outdoor Thermal Management”为题发表于《Advanced Fiber Materials》期刊。南京林业大学理学院青年教师相波为本文第一作者，张荣副教授和罗振扬教授为共同通讯作者。
这种双模式热管理纤维织物的制备过程如图1所示。首先，利用静电纺丝工艺制备具有开放多孔结构的PVDF-HFP纤维膜；然后，在PVDF-HFP纤维膜的一面先后喷涂Fe3+ 溶液和吡咯溶液，经氧化聚合后生成PPy，即可获得双模式热管理纤维织物。
图1 双模式热管理纤维织物制备流程示意图
从纤维膜的数码照片（图2a和e）中可以看出，PVDF-HFP面呈白色，而附着PPy面则呈黑色。进一步利用扫描电子显微镜（SEM）观察纤维膜的微观形貌发现，PVDF-HFP面的纤维结构较为疏松，呈现高度开放的三维多孔网络；而PPy面则呈现相对紧密的纤维结构，且其纤维直径均有所增大。
图2 双模式热管理纤维织物的数码照片和微观SEM照片
微观结构的差异导致纤维膜两侧的光学性质相差甚远，从图3a和b中可以看出，PVDF-HFP面的太阳光吸收率很低，这主要归因于其高度开放的三维网络状多孔结构，该结构可通过米氏散射作用高效地反射大部分的太阳光；同时，由于PVDF-HFP中存在-CF2和-CF3等基团，具有较高的中红外发射率。与PVDF-HFP面相比，由于PPy面高度开放的多孔结构受到破坏，且受其共轭结构中的电子转移作用影响，该面呈现较高的太阳光吸收率。基于光谱数据，应用双模式纤维膜的理论对制冷功率和理论加热功率进行计算，结果表明纤维膜的理论制冷功率可以达到83 W·m-2，而理论加热功率则高达873 W·m-2（图3c和d）。
图3 双模式热管理纤维织物的光学性能及相应的理论制冷及加热功率
为了验证双模式纤维织物在室外环境中的热管理效果，进行了室外温度测试（图4a）。测试结果表明，在850 W·m-2 的太阳光照强度下，纤维膜的PVDF-HFP面可以实现4.5℃ 左右的降温效果，而PPy面可以实现35.8℃ 左右的加热效果（图4b）。进一步将双模式热管理纤维膜覆盖在人体皮肤表面，分别于冬季的阴天和晴天测试其室外人体热管理性能（图5a和c）。结果表明，双模式纤维膜不受外界太阳光照强度的影响，均呈现优异的辐射制冷效果；而太阳光照强度越高，其人体保暖效果越为明显（图5b和d）。
图4 双模式热管理纤维织物在室外环境中的热管理性能
图5 双模式热管理纤维织物的室外人体热管理性能
这种双模式纤维织物不仅可应用于人体热管理，还有望用于建筑节能、户外精密仪器保护等领域。该工作为双模式热管理材料的发展提供了新的思路。
原文信息
Bo Xiang, Rong Zhang*, Xujia Zeng, Yanlong Luo, Zhenyang Luo*, An Easy-to-Prepare Flexible Dual-Mode Fiber Membrane for Daytime Outdoor Thermal Management. Adv. Fiber Mater., 2022.
https://doi.org/10.1007/s42765-022-00164-5
