眾所周知，人體向環境散熱過程中，衣物起著至關重要的作用。如果衣物能實現良好的熱管理，不僅可以大大提高人體的舒適度，更是對節約建筑物能耗有著潛在的巨大影響。

要溫度也要時尚

崔屹教授組成功合成紅黃藍三色高效降溫織物

研究背景

眾所周知，人體向環境散熱過程中，衣物起著至關重要的作用。如果衣物能實現良好的熱管理，不僅可以大大提高人體的舒適度，更是對節約建筑物能耗有著潛在的巨大影響。

研究表明，人體皮膚的紅外發射率高達0.98，幾乎等同于黑體，在7-14微米的波長范圍內有強烈的紅外輻射，并且在9.5微米處達到峰值。更為值得注意的是，在室內環境下，人體通過熱輻射的散熱占總散熱的50%以上。然而，傳統衣物并未對人體熱輻射有所調控，所以并未達到理想的熱管理。基于對調控衣物紅外性質的研究，斯坦福大學崔屹教授團隊已經基于聚乙烯材料在紅外透明室內降溫衣物（Science, 353,1019 (2016); Nature Sustainability, 1, 105 (2018)）、低紅外發射率保溫衣物（Nature Communication, 8, 496 (2017)）、室外降溫衣物（Advanced Materials, 30, 1802152 (2018)）、雙模式降溫/保溫衣物（Science Advance, 3 (2017)）取得一系列成果。然而，在進一步的實際應用中，這些衣物需要解決的一大困難即是如何取得不同的顏色外觀，并且保留聚乙烯材料理想的紅外透明性質。傳統的染色方法并不適用，因為常用的傳統有機染料通常會有不同種類的化學鍵，它們會對在中紅外波段的人體輻射有著強烈的吸收，從而大大降低紅外透過率。再者，聚乙烯的化學惰性和缺少極性化學鍵使得讓化學染料和它的表面粘附變得十分困難。

成果簡介

最近Joule上發表了題為“Temperature Regulation in Colored Infrared-Transparent Polyethylene Textiles”的文章，報道了解決上述難題的方法。通過對無機納米顆粒的成功選擇和使用，斯坦福大學崔屹教授團隊成功實現了對聚乙烯材料的染色，并同時保留其獨特的紅外透明性能。通過無機納米顆粒和熔融的聚乙烯混合，也同時解決了染色的均勻性和穩定性。崔屹教授團隊同時也報道了染色聚乙烯的工業級拉絲及紡織。紡織的織物產品不僅有80%的紅外透過率，和普通棉織物比有著1.6°C~1.8°C的降溫效果，并且在多次洗滌之后仍保持良好的穩定性。這項工作將為輻射降溫織物的實際應用及商業化提供更為堅實的基礎。

圖1 (a) 輻射降溫織物的染色示意圖 (b) 選用的無機染料粉末的照片 (c) 選用的無機染料顆粒和傳統有機染料的FTIR吸收光譜比較。 (d) 普魯士藍, (e) Fe2O3 及 (f) 硅納米顆粒的SEM照片。

材料表征及性能測試

 圖2. 染料納米顆粒和聚乙烯混合的復合膜的(a) 照片, (b) UV-VIS反射光譜, 

(c) FTIR透射光譜及 (d) 可見光不透明度光譜

圖3. (a) 通過工業擠出工藝制造的染色聚乙烯纖維的照片 (b) 拉伸強度測試證明了染色的聚乙烯纖維和棉有相當的拉伸強度。 (c)藍色普魯士藍-聚乙烯, (d) 紅色Fe2O3-聚乙烯 和 (e) 黃色硅-聚乙烯的光學顯微鏡照片 (f – h) 通過光學顯微鏡展示的編織圖案 (i – k) 有著良好可穿戴性的編織織物照片

圖4. (a) 染色及未染色的聚乙烯織物的紅外透過率測量結果 

(b) 染色聚乙烯織物用洗滌劑洗滌之后染料質量損失百分比表格

圖5. (a) 裸露及蓋有織物的皮膚模擬加熱裝置的溫度測。織物包括棉、普魯士藍-聚乙烯、Fe2O3-聚乙烯和硅-聚乙烯織物 (b) 裸露皮膚和覆蓋著棉、普魯士藍-聚乙烯、Fe2O3-聚乙烯和硅-聚乙烯織物的紅外圖像

總結討論

這項工作巧妙地使用了無機納米顆粒作為聚乙烯材料的染料，實現了不同顏色的紅外透明織物的大規模制造。這樣的織物不僅在幫助人體輻射散熱方面得天獨厚，染色之后的不同顏色展示了其可以和傳統織物在色彩方面同樣美觀。作為染料的普魯士藍、三氧化二鐵、硅的納米顆粒同時滿足了無紅外吸收、無毒、低成本的要求。這三種染料分別可以產生藍、紅、黃這三種顏料三原色，通過混合，其他的顏色也可以很容易地獲得。通過大規模混料、擠出、紡織出的織物有著良好的色澤、高紅外透過率（~80%）、1.6 ~ 1.8 oC的被動冷卻效果及優異的洗滌穩定性。這項工作解決了輻射降溫衣物染色的瓶頸問題，進一步促進了輻射降溫衣服的真正應用。

來源：知社學術圈