综述：灵活设计人体热传输途径实现先进热管理织物- 大数跨境

首页

综述：灵活设计人体热传输途径实现先进热管理织物

两江科技评论

2021-03-25

导读：近日，同济大学，东华大学和科罗拉多大学研究团队在《Materials Today Physics》上联合发表了综述文章。

撰稿| 同济大学声子学中心Xonics Lab

导读

近日，同济大学，东华大学和科罗拉多大学研究团队在国际知名期刊《Materials Today Physics》上联合发表了综述文章，题目为“Designing Heat Transfer Pathways for Advanced Thermoregulatory Textiles”（Materials Today Physics 17, 100342 (2021)）。该文章揭示了实现先进热管理织物的本质是对人体与周围环境热量传输途径的调控，并聚焦于此对当前的散热，保温和可在二者之间切换的双功能先进织物的发展进行了综述。这篇综述论文的第一作者是同济大学物理科学与工程学院，声子学与热能科学中心的研究生兰晓华、汪毅，通讯作者是同济大学任捷教授、东华大学丁彬教授以及科罗拉多大学李保文教授，东华大学的斯阳教授和同济大学博士后彭洁彬对论文也做出了重要贡献。

研究背景

在人类文明发展的历史长河中，衣物在我们日常生活中一度扮演着举足轻重的角色。衣物不仅可以为我们提供最基本的热舒适性，而且也防护我们身体不受蚊虫叮咬。再者，一个人的衣着也是其身份的象征，从某些角度也会彰显穿着者的性格爱好等。另外，随着科学技术的发展，现代衣物被赋予更多独特的功能，使之用于特定的领域。比如说，医疗防护服、防火服和宇航服等功能服装在当今社会的发展，这为常年工作在医疗、消防和航空领域的工作人员提供了很大便利。然而，无论这些现代功能性织物如何发展，他们的热舒适性一直都是需要不断改进的。

人体热舒适可以被简单的定义为：在人体处于热平衡状态时，皮肤温度尽可能接近人体的正常体温。人体热舒适与其皮肤，衣物和环境之间的热传输路径紧密相关。然而，传统衣物不能有效抑制人体在寒冷环境下的热量损失，而且在炎热条件下，传统衣物也无法释放人体皮肤表面积聚的热量。因此，近年来，科研工作者们致力于研究可调控人体热量的先进织物，包括散热、保温以及在二者之间切换的双功能织物。据研究表明，先进热管理织物的发展不仅仅是服装行业的一大进步，而且可以有效减少全球每年用于通过改善建筑热环境从而满足人体热舒适的能源。这一个人热管理技术无疑也是解决当前能源短缺问题的有效方式。

在这篇综述中，他们从人体热传输路径这一独特观点出发，总结了这一领域的发展。而且，近年来大多数研究工作聚焦于设计织物的一些物理特性去实现人体热量调控，比如说与热辐射相关的热发射率、反射率和透射率；以及与热传导有关的热导率。因此，作者聚焦于人体的两大主要传输路径热辐射和热传导，综述了先进热管理织物的发展，讨论了该领域存在的一些挑战并提出了一些可行性建议供读者参考。

最新进展

文章中首先简要介绍了关于热管理织物所涉及的个人热管理理论基础，比如人体热舒适、热辐射和热传导以及人体，衣物与环境之间的传热理论。此外，他们分析并总结了当前这一领域背后所依据的物理本质。

图1 (a)人体与室外环境的热量交换示意图。在室外环境中，太阳辐照度(Q_sun)和机体代谢产热(Q_ge_n)是人体主要的热量来源。热辐射(Q_rad)、热传导(Q_cond)、空气对流(Q_con_v)汗液蒸发(Q_e)是人体主要的散热途径。Q_s是人体净热量储存。插图描述了人体的辐射总能(Q_rad)遇到织物，会被织物反射(Q_p)、吸收，剩余部分的辐射能会直接透过织物到达环境。这进一步说明了织物对皮肤与环境之间的热传输有着显著的影响。(b)根据黑体辐射定律绘制出的人体在温度为310 K(对应皮肤正常温度37℃)时的辐射谱。其中橙色和蓝色的背景图分别是归一化后的AM 1.5太阳光谱和大气透射谱。紫色和浅绿色的阴影区域分别代表了近红外(NIR)和中红外(MIR)波段。

图2 该示意图根据人体与外界环境之间的传热途径，总结了当前提出的(a)散热织物、(b)保温织物和(c)双功能织物不同的设计原理。（a）我们提高织物的MIR透射率、发射率、NIR反射率和热导率，可以设计出使人体加速散热的散热织物。相应地，抑制人体热损失的保温织物(b)可以通过提高织物的MIR反射率、NIR吸收率和降低织物的MIR发射率、热导率来实现。目前，双功能织物(c)可以分为静态和动态双功能织物。静态双功能织物可以通过将具有不同辐射率的双层发射体嵌入纺织品得以实现。科研人员通过动态调节织物的辐射率、透射率和热导率设计了可随环境的变化来改变皮肤的热量传输的动态双功能织物。

第二部分，作者介绍了当前先进散热织物的不同设计原理，包括提高织物MIR透射率，MIR发射率，NIR反射率和热导率，并据此分类综述了一些典型工作。

图3 由红外线透明、可见光不可见材料(ITVOF)设计的冷却织物。(a)图是在空气对流换热系数(h = 3 W/m²K)和间隙厚度(t_a= 2.36 mm)条件下，令人舒适的最高环境温度随织物的红外透射率和反射率的等值线图。(b)采用数值有限元模拟模型研究了聚乙烯织物结构对红外光学性能的影响。在这些模拟中，这些纱线被表示为平行的圆柱阵列。入射光设为正入射。具体输入参数D_y、D_f、D_s、D_p分别表示纱线直径、纤维直径、纤维间距和纱线间距。(c)数值模拟了在固定纤维直径(D_f=10 μm)下，减小纱线尺寸对织物光学性能的影响。(d)在固定纱线直径(D_y=30 μm)时，评估纤维尺寸的减小对织物红外光学性能的影响。红色、蓝色和绿色曲线分别表示织物的模拟吸收率、反射率和透射率^[1]。

图4 基于辐射制冷所提出的散热织物的新想法。(a)辐射制冷原理图。(b)日间辐射冷却装置的不同设计思路。(i)由多层周期性孔阵微纳结构设计的辐射制冷器^[2]。(ii)辐射制冷膜是通过在聚合物膜中嵌入SiO2微球来实现的^[3]。(c)用于加速人体散热的Al₂O₃-醋酸纤维素涂层织物。(i)冷却织物涂层的相变过程示意图。散热织物的NIR反射谱(ii)和MIR发射谱(iii)^[4]。

图5 用不同的NIR高反射材料制成的户外散热织物。(a) P25 TiO₂-cotton、TiO₂-cotton、TiO₂-SiO₂-cotton和SiO₂-cotton的不同反射原理^[5]。(b)由不同NIR反射率的材料交替叠置，制备的多层散热膜的结构示意图^[6]。(c)将无机纳米颗粒(ZnO)嵌入到纳米聚乙烯中，获得的户外散热织物^[7]。

图6 散热织物是由排列整齐的氮化硼/聚乙烯醇(a-BN/PVA)复合纤维通过简单的三维打印技术制成。(a)由a- bn /PVA纤维组成的散热织物示意图。(b) a-BN /PVA复合纤维的制作工艺示意图。(c)， (d) a-BN/PVA纤维的SEM图像。(e)利用激光红外成像系统研究了棉、PVA、BNNS未定向排列的BN/PVA和相同直径的高度定向排列的a-BN/PVA纤维的导热特性^[8]。

第三部分，作者介绍了当前先进保温织物的不同设计原理，包括提高织物MIR反射率，NIR吸收率以及降低MIR发射率和热导率，并据此分类综述了一些典型工作。

图7 用金属银纳米线(AgNW)实现的保温织物。(a)图对比了普通棉布和AgNW-棉布之间的传热原理。通过对AgNW-棉布施加电压可以为人体提供额外的热量。(b)用来描述金属AgNW红外反射率的模拟模型图。(c)在非正入射情况下，200、400和600 nm不同间距的AgNW-棉布红外反射谱。黄色虚线表示人体红外辐射谱。(d)根据人体热辐射计算出200、400和600 nm间距的AgNW-棉布的归一化红外反射谱。(e)在输入不同电压后，AgNW-棉布的表面温度随时间的变化^[9]。

图8 用金属化纳米多孔聚乙烯(nano-Ag/PE)制备的保温织物。(a)利用传热模型计算得到的满足人体热舒适的环境温度随织物内表面和外表面红外发射率变化图。(b)覆盖传统织物和(c)纳米Ag /PE织物的人体传热示意图。(d)纳米Ag /PE织物的制备工艺示意图。(e)纳米Ag/PE织物Ag侧和PE侧的光学和SEM图像表明，纳米Ag/PE织物有着良好的透气性。比例尺:1 μm。(f)实验设备示意图。(g)裸露皮肤和覆盖不同样品的皮肤满足人体热舒适的环境温度对比图。值得注意的是，cotton/Ag/PE、cotton/PE/Ag、PE/Ag/cotton三个系统的左侧与皮肤接触，右侧面向环境。Mylar毛毯- R和Omni-R是反过来的Mylar毛毯和Omni毛毯^[10]。

图9 用高NIR吸收率的材料与织物结合制备的保温织物。(a)增强材料NIR吸收率的各种方法^[11-14]。(b)用高NIR吸收率材料(梯度纳米复合超材料)设计的双面辐射制冷器^[15]。(c)高NIR吸收率材料被制备成一种彩色户外保温织物。(i)不同保温织物传热机制的对比。测量了不同织物的MIR发射率(ii)和NIR吸收率(iii)^[16]。

图10 用低导热材料制成的保温织物。(a)北极熊的照片。(b)仿生纤维“冷冻纺丝”技术的制备过程示意图。(c)仿生纤维的x射线计算机微断层摄影图像显示其沿轴向排列的多孔结构。(d)图阐述了含多孔结构仿生纤维的传热机制^[17]。(e)多功能纳米管状气凝胶有潜力作为保温织物的候选材料。(i)多功能纳米管状气凝胶制备工艺示意图。(ii)测量了不同材料的热平衡温度^[18]。

第四部分，作者介绍了当前先进双功能织物的不同设计原理，包括静态调节织物MIR发射率，动态控制MIR发射率、透射率以及对材料热导率的动态调节，并据此分类综述了一些典型工作。

图11 该双功能织物在纳米多孔聚乙烯(nanoPE)层中嵌入了双层发射体，用于人体保温和散热。图中描述了(a)传统织物，(b)双功能织物在其散热模式下，(c)保温模式下的传热机理。(d)双功能织物的结构示意图。值得注意的是，双层发射体上下两层的纳米聚乙烯厚度是不对称的，这便于控制发射体表面温度。(e)测量了碳和铜涂层的发射谱。(f)不同样品覆盖的人工皮肤温度比较:裸皮肤、传统纺织品、冷却模式纺织品、保温模式纺织品。(g)测量了裸露皮肤、传统织物、双功能织物覆盖人造皮肤后的皮肤表面温度。四种双功能织物样本由四种不同发射度组合的材料组成。绿线表示的是人造皮肤温度与双功能织物顶层发射率的关系，由此可见二者呈现相反的趋势^[19]。

图12 动态红外辐射门控织物。(a)红外辐射门控织物的物理机制。(b)图呈现了红外发射率与纳米结构柱阵列距离之间的联系。插图是纳米结构柱阵列的SEM图像。(c) 150°C衬底上不同间距纳米结构柱阵列的红外图像。(d)用于测量织物红外响应与环境湿度的实验装置图。(e)图对比了复合材料的红外透射率和相对湿度随时间的变化，说明两者之间具有良好的动态响应特性^[20]。

图13 基于材料红外透射率调控的动态双模式织物。(a)一种动态调温织物采用独特的双层结构根据皮肤的相对湿度可以调控织物的红外透射率、水分输送和空气对流。(b)调温织物和棉织物在干湿状态下的红外透射谱^[21]。(c)受乌贼皮启发的可调人体辐射的复合材料。该仿生材料将太空毯与鱿鱼皮肤相结合，通过机械驱动的方法实现了人体辐射的动态热调节。太空毯是由固体塑料片覆盖一层致密的金属薄膜组成的，但是它不能动态调节人体辐射。鱿鱼独特的皮肤是由色素体器官组成，内含透明的基质，能动态调控肌肉驱动的人体辐射。该调温织物由红外透明的软聚合物基体和通过嵌入在基体中的柱状纳米金属结构组成。(d)图测量了在不同形变的复合织物覆盖皮肤舒适的环境温度。不同的三角形代表不同的张力^[22]。

图14 通过调控材料的热导率设计的双功能调温织物。(a)通过嵌入Nafion薄膜实现厚度可调的智能双功能织物。(b)模拟皮肤汗孔设计的皮瓣结构可动态调控织物热量传输^[23]。(c)具有纳米级分子通道的PFSA膜集成到传统织物中，用于个人热管理^[24]。（d）一种利用活细胞的吸湿性开发的仿生双功能织物^[25]。

最后，作者按其时间发展，清晰地给出这一领域的发展历程。

图15 先进热管理织物，包括散热、保温和双功能织物的卓越发展。

未来展望

作者根据当前已有工作的物理机制，提出未来的双模式先进热管理织物还可以通过调节织物的中红外透射率和热导率，近红外反射率/吸收率，正如图16所示；同时提到皮肤和织物间热对流和汗液蒸发两大途径在人体热量传输中也占据了重要的地位，应该是该领域日后着重关注的方向；另外，作者提到自然界一些具有独特热管理能力的生物所特有的结构应该引起大家的关注，从而获得启发，设计一些人工微结构去定向调控人体热传输路径；最后，当前热门的机器学习也可以应用在该领域，为我们提供人类无法预想的新奇结构。

图16 基于调节个人热传递途径设计的先进调温织物的前景。对比于单一功能织物的设计原理,我们给出一些未来双功能织物未来发展可能用到的方法,包括控制织物双面的MIR透射率(a), 静态（b）和动态（c）调控织物NIR反射率/吸收率以及（d）基于热二极管效应调节织物的热导率。值得注意的是,在人体热量传输中，我们还应仔细探索被覆盖皮肤传热路径中的汗液蒸发(e)和热对流(f)的影响。

图17 先进调温织物的潜在设计方案。(a)一种通过模仿撒哈拉银蚁头发的独特三角棱柱结构而提出的具有光谱选择性的辐射制冷装置^[26]。（b）从天牛的双尺度绒毛中获得灵感开发的柔性辐射冷却膜^[27]。这些天然生物的独特结构确实为开发具有优良热调节性能的织物结构提供了一个新的视野。(c)利用人工智能根据目标热管理织物有潜力反向创造一些超出我们想象的新型结构。

文章信息

该工作得到了国家自然科学基金重点项目、杰出青年项目、面上项目，上海市科委，上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室等项目资助。研究成果以“Designing Heat Transfer Pathways for Advanced Thermoregulatory Textiles”为题在线发表在 Materials Today Physics。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100342

文内所有图片均已获得授权且注明来源，并已获 Elsevier 版权许可。

参考文献：

[1]Tong, J. K., Huang X., Boriskina S. V., et al.,Infrared-transparent visible-opaque fabrics for wearable personal thermal management,2015, Vol.2(6): 769-778

[2]Rephaeli, E., Raman A. and Fan S. J. N. l.,Ultrabroadband photonic structures to achieve high-performance daytime radiative cooling,2013, Vol.13(4): 1457-1461

[3]Zhai, Y., Ma Y., David S. N., et al.,Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling,2017, Vol.355(6329): 1062-1066

[4]Wei, W., Zhu Y., Li Q., et al.,An Al2O3-cellulose acetate-coated textile for human body cooling,2020, Vol.211: 110525

[5]Panwar, K., Jassal M., Agrawal A. K. J. S., et al.,TiO2–SiO2 Janus particles treated cotton fabric for thermal regulation,2017, Vol.309: 897-903

[6]Liu, X., Huang F., Yu W. J. F., et al.,Preparation and property of TiO 2/SiO 2 multilayer film on the fabric by sol-gel process,2013, Vol.14(7): 1101-1106

[7]Cai, L., Song A. Y., Li W., et al.,Spectrally selective nanocomposite textile for outdoor personal cooling,2018, Vol.30(35): 1802152

[8]Gao, T., Yang Z., Chen C., et al.,Three-dimensional printed thermal regulation textiles,2017, Vol.11(11): 11513-11520

[9]Hsu, P.-C., Liu X., Liu C., et al.,Personal thermal management by metallic nanowire-coated textile,2015, Vol.15(1): 365-371

[10]Cai, L., Song A. Y., Wu P., et al.,Warming up human body by nanoporous metallized polyethylene textile,2017, Vol.8(1): 1-8

[11]Zhu, L., Liu F., Lin H., et al.,Angle-selective perfect absorption with two-dimensional materials,2016, Vol.5(3): e16052-e16052

[12]Furchi, M., Urich A., Pospischil A., et al.,Microcavity-integrated graphene photodetector,2012, Vol.12(6): 2773-2777

[13]Fang, Z., Thongrattanasiri S., Schlather A., et al.,Gated tunability and hybridization of localized plasmons in nanostructured graphene,2013, Vol.7(3): 2388-2395

[14]Grande, M., Vincenti M., Stomeo T., et al.,Graphene-based absorber exploiting guided mode resonances in one-dimensional gratings,2014, Vol.22(25): 31511-31519

[15]Zhou, L., Song H., Zhang N., et al.,Graded nanocomposite metamaterials for a double-sided radiative cooling architecture with a record breaking cooling power density,2020:

[16]Luo, H., Li Q., Du K., et al.,An ultra-thin colored textile with simultaneous solar and passive heating abilities,2019, Vol.65: 103998

[17]Cui, Y., Gong H., Wang Y., et al.,A thermally insulating textile inspired by polar bear hair,2018, Vol.30(14): 1706807

[18]Du, A., Wang H., Zhou B., et al.,Multifunctional silica nanotube aerogels inspired by polar bear hair for light management and thermal insulation,2018, Vol.30(19): 6849-6857

[19]Hsu, P.-C., Liu C., Song A. Y., et al.,A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling,2017, Vol.3(11): e1700895

[20]Zhang, X. A., Yu S., Xu B., et al.,Dynamic gating of infrared radiation in a textile,2019, Vol.363(6427): 619-623

[21]Fu, K., Yang Z., Pei Y., et al. (2019). Designing Textile Architectures for High Energy-Efficiency Human Body Sweat- and Cooling-Management.1: 61-70.

[22]Leung, E. M., Escobar M. C., Stiubianu G. T., et al.,A dynamic thermoregulatory material inspired by squid skin, nature communications,2019, Vol.10(1):

[23]Zhong, Y., Zhang F., Wang M., et al.,Reversible Humidity Sensitive Clothing for Personal Thermoregulation, scientific reports,2017, Vol.7(1): 44208-44208

[24]Mu, J., Wang G., Yan H., et al.,Molecular-channel driven actuator with considerations for multiple configurations and color switching, nature communications,2018, Vol.9(1): 1-10

[25]Wang, W., Yao L., Cheng C. Y., et al.,Harnessing the hygroscopic and biofluorescent behaviors of genetically tractable microbial cells to design biohybrid wearables, science advances,2017, Vol.3(5):

[26]Jeong, S. Y., Tso C. Y., Wong Y. M., et al.,Daytime passive radiative cooling by ultra emissive bio-inspired polymeric surface, solar energy materials and solar cells,2020, Vol.206:

[27]Zhang, H., Ly K. C. S., Liu X., et al.,Biologically inspired flexible photonic films for efficient passive radiative cooling, proceedings of the national academy of sciences of the united states of america,2020, Vol.117(26): 14657-14666

更多参考文献（共计177篇）请参见原文。