在碳中和的国际背景下，能源消耗以及资源匮乏是摆在人们面前亟待解决的重大难题。据不完全统计，人们每年用于调节自身舒适度的能耗大约占年总能耗的 40%，其中很大一部分是用于人体热管理（PTM）。而随着人口数量增加以及社会发展，能源需求将会不断增加，从而将进一步进入全球变暖和能耗增长的恶性循环。而纺织品作为人类最早的发明之一，已经成为人们必不可分的生活必需品，因此，如何从全球紧迫的能源威胁角度出发，基于对传统织物材料结构的创新性设计，以实现无能量输入模式下对人体微气候的有效调节，是解决能源可持续性发展的关键。目前，国内外研究学者已经在此领域取得了一定的阶段性成果，但大部分研究主要是聚焦通过材料的内部结构设计以达到个人局部制冷的节能效果，难以实现在低温环境下的人体对热量的需求。因此，开发出既能够实现冷却模式，也能实现加热模式的智能穿戴四季服，是极具挑战性的科学问题，更是未来减少气候控制能源使用的有效途径。
针对上述科学问题和关键影响因素，近日，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授通过采用微流控气喷纺丝技术（微流控纳米气喷纺丝机由南京捷纳思新材料有限公司提供）设计一种三明治结构织物，基于调控有序光子结构实现反射冷却效果以及纳米银层的焦耳特性，创新性地开发出一种能够同时具备冷却和加热模式的四季服，这极大地促进未来智能穿戴纺织品的发展。采用微流控气喷纺丝技术(MBS)制备尼龙66（PA 66）纳米纤维支架，金属Ag纳米粒子和聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-α-甲基丙烯酸酯)(聚(St-BA-MAA))胶体粒子沉积在PA 66纳米纤维上，形成先进的三明治结构织物。这种织物不仅具有轻巧、灵活、智能的特点，而且可以通过充放电实现加热和冷却模式，实现热调节。研究结果表明，与传统棉织物相比，制备的四季服织物使环境温度设定点降低了7.9 ℃。此外，在施加电压大小为1.5-4.5 V时，织物温度相比如环境温度提高了8.5-23 ℃。更重要的是，在保证人体安全的前提下，将四季服织物应用于可穿戴PTM器件，不仅在夏季可将人体周围温度降低高达7.8 ℃，而且在冬天或者寒冷天气下使人体周围环境温度最高升高13.2 ℃。这种四季服织物可同时实现加热和冷却的智能功效，有望成为未来智能服装的一个初步工作，并将对降低全球能源消耗产生重大影响。该研究成果于近日以“Microfluidic-Blow-Spinning Fabricated Sandwiched Structural Fabrics for All-Season Personal Thermal Management” 为题发表在国际重要刊物《Chemical Engineering Journal》(DOI: 10.1016/j.cej.2022.139763)上。南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授与崔婷婷博士后为共同通讯。南京工业大学博士后李国星、博士董婷为共同作者。
该课题得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、江苏省高校优势学科建设工程、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。
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