崔屹Science重磅来袭:纳米聚乙烯织物“智能”辐射降温,我们离凉爽的夏天还远吗?(附视频)
【引言】
能量消耗是人类21世纪面临的两大问题之一,房间的加热和制冷占居民和商业能量消耗的大部分,在美国占能量消耗的12.3%。减少室内温度调节能很大程度上减少全球能量的消耗。“个人热管理”只对人体和特定的环境进行温度的调控,与传统调节室内温度相比这种方法能有着更高的能量利用率。为了实现“个人热管理”,必须更好的控制室内人体热耗散的过程。
【成果介绍】
最近,斯坦福大学崔屹教授等在Science上报道了一种纳米聚乙烯(nanoPE)材料,可作为夏天给人体降温的红外辐射散热织物材料。皮肤是良好的红外发射器,能确保红外耗散的进行,设置一个合适的冷却点,就能达到让人体舒适的目的。一般材料中有较多基团的吸收如N-H、C-O等,其红外光的透过率很低,然而PE(聚乙烯)的红外吸收峰很窄,并且与人体辐射出的射线吸收峰相隔很远,对红外光的吸收较弱,因此能确保较大的红外透过率,十分适合作为红外辐射散热织物材料。并且nanoPE有着直径为50-1000nm的连接孔,孔的尺寸远小于红外波的长度,所以nanoPE有着较高的红外透过率。但是nanoPE透水性和透气性较差,于是将nanoPE表面改性为亲水性后,连接孔就能确保空气的透过性和排汗。将PDA(聚多巴胺)包覆在nanoPE上,可以确保nanoPE的“可穿”性能。需要指出的是,将nanoPE应用于衣物之中仍有很多的挑战(如nanoPE织物的可洗次数等),想实现“凉爽的夏天”还需要科研工作者们继续努力。
【图文导读】
图1 nanoPE的光学性能和形貌
图A为作者建立的模型,空气温度调控点与红外透过率的关系。表明聚乙烯膜有着较高的红外透过率,能在较高温度对温度进行调控。
图B为nanoPE、通用PE与通用织物的红外透过率测试原理对比图。只有nanoPE能较好的满足红外透过率的要求,且对光不透明,而且能够与体外形成空气流通。
图C为nanoPE红外以及可见光透过率的模拟,其中nanoPE的孔径为400 nm,厚度为12 mm,黄色阴影区域表示人体辐射。
图D表示为基于人体辐射的各种孔径的模拟加权平均透射比,随着孔径的增大,平均透光率从> 90%下降到80%,从而开始影响人体辐射的传输。
图E为商业nanoPE的照片。
图G为高分辨率的扫描电镜图像,孔的直径仅为50-1000 nm,这是保证高的红外透过率的关键。
图H表明对nanoPE进行可见浑浊度测定,其与棉花一样具有不透明性。
图2 不同织物样品的热性能
图A,B,C为模拟人体放热不同样品的降温效果,nanoPE的降温效果为最好,与人体温度最为接近。
A图为模拟人体加热装置图,使用产生恒定的加热功率的加热元件来模拟人体皮肤,并用热电偶测量“皮肤温度”。较低的皮肤温度意味着更好的冷却效果。
B图为模拟温度不同材料下的皮肤温度,nanoPE因其有着更高的红外透过率而具有更好的冷却效果。
C图为不同样品的相对热量分布图,只有nanoPE才能显示出H型的金属模型。
图3 改性后的nanoPE作为衣物的性能
图A为对PDA包覆nanoPE材料改性流程图,满足nanoPE作为织物的性能。
图B为不同nanoPE的水蒸气透过率,表明在自然环境下纳米孔能够满足水蒸气的渗透。
图C表明PDA-nanoPE-mesh、PDA-nanoPE有着与棉相似的空气透过率。
图D中可知,棉具有最高的毛细作用,PDA-nanoPE-mesh由于PDA的双层结构具有相近的毛细作用。毛细作用能够使得汗液挥发,衣物有较好的舒适度。
图E为不同织物的机械强度,PDA-nanoPE-mesh的机械强度能够满足纤维的加工。
图4 PDA-nanoPE-mesh的性能
图A表示为增加透气性能的小孔,基本上从肉眼上观察不到。
图B,C为不同织物材料之间光学性能的对比。
图D为不同织物材料中热性能的对比。
通过性能的比较,nanoPE是一种作为“个人热管理”的红外透过织物较好的材料。
我们来一起看看这款神奇织物的原理。
【展望】
本研究通过改变nanoPE的加工方法来改善潜在的“可穿”性能是很有意义的,可以加快nanoPE在衣物中的应用进程。尽管PDA-nanoPE-mesh的织物很稳定,但是汗水蒸发、洗涤次数、耐磨次数和紫外吸收等性能还有待提高,要将其应用于实际生活中还需要科研工作者们不断努力。
文献链接:Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile(Science, 2016, DOI : 10.1126/science.aaf5471)
Science同期perspective:Nanoporous fabrics could keep you cool(Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah5577)
Science视频报道:Video: The only thing cooler than this new fabric is no fabric(Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah7252)
本文由材料人高分子材料学习小组成员Andy_chen供稿,欧洲足球赛事 编辑整理。
参与高分子话题讨论或了解高分子材料学习小组招募详情,请加材料人高分子交流群(298064863)。
欧洲足球赛事 网专注于跟踪材料领域滚球体育 及行业进展,这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者,如果您对于跟踪材料领域滚球体育 进展,解读高水平文章或是评述行业有兴趣,点我加入编辑部。
文章评论(0)