CRPS：范金土团队实现多模式人体热调控的热响应织物

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Physical science

近日，香港理工大学范金土教授课题组开发了一种采用金属化聚乙烯薄膜作为热响应驱动器，进而实现多模式人体热调控的智能织物。2022年6月29日，该研究以“Thermoregulatory clothing with temperature-adaptive multimodal body heat regulation”为题，发表在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上。

研究背景及现状

热调控织物对于维持人体热舒适以及降低建筑制冷和采暖能耗具有重要意义。因此，开发同时具备制冷和保暖功能的智能织物引起了学者的极大兴趣。通常而言，这种智能织物可分为主动式和被动式。相比于前者，被动式织物因不需要外界能量驱动就可以动态适应环境的变化从而受到了更多的关注。目前被动式织物又可以分为湿度/汗液响应式和热/温度响应式。前者是在人体已经产生湿度不舒适的前提下才开始作用而后者则避开了这个缺点。已有的热响应织物采用相变材料，水凝胶以及记忆聚合物等。而这些材料并不能同时调控人体散热的多重路径（导热、对流、辐射、汗液蒸发）从而极大地限制了织物的热调控能力。目前为止，极少有研究开发出对温度响应同时实现多模式热调控的织物。

工作原理

有鉴于此，香港理工大学范金土教授课题组开发了一种采用金属化聚乙烯薄膜作为热响应驱动器，进而实现多模式人体热调控的智能织物。该驱动器是将金属铜镀在常见的聚乙烯薄膜上。当外界温度升高时，聚乙烯薄膜发生微小热膨胀而金属层几乎不膨胀。由此产生的不匹配将驱动薄膜弯曲。在此过程中，人体辐射热量将直接地散失到环境中，同时也会增强对流以及汗液蒸发引起的散热，最终起到增强人体散热的效果。当外界温度降低时，该驱动器将逐渐恢复到原始的平整状态。在此过程中，人体的辐射热量将会被金属层反射回人体，同时也降低了其他方式散失的热量，最终起到保暖的效果。

图1. 实现多模式人体热调控的热响应织物的工作原理示意图。

驱动器的弯曲性能

驱动器的弯曲性能对实现多重模式的人体热调控至关重要。研究人员首先在15–35℃的温度范围内优化了驱动器的设计，即确定了使驱动器取得最大弯曲角的聚乙烯以及铜层的厚度。之后实验值进一步与理论值和模拟值对比从而验证了结果的可靠性。此外，在实际应用中驱动器的响应速度以及稳定性也是重要考虑的因素。相关结果表明，驱动器可以在50秒内完成从平坦-最大弯曲角-平坦的一个循环。同时，在经历了500次低温和高温之间的循环后，其弯曲性能并未出现衰退。

图2. 热响应驱动器的弯曲性能。

驱动器的红外光学性能

特别地，人体红外热辐射占人体总散热量的40%左右，并且在近些年引起了极大的关注。本研究在驱动器打开和关闭的过程中也实现了对热辐射的调控。驱动器在高温下打开时，人体热辐射可以直接进入周围环境从而实现辐射制冷。驱动器在低温下关闭时，人体热辐射直接被驱动器内表面反射；同时驱动器外表面具有非常低的发射率，可以进一步降低人体通过辐射的热耗散。

图3. 热响应驱动器的红外光学性能。

织物的热学性能评估

研究者将驱动器嵌在开孔洞的传统织物上，通过暖体假人测试和热学-生理建模评估该织物的空调节能潜力。具体地，暖体假人测试得到的服装热湿阻被代入热学-生理模型，从而得到与传统棉布以及聚酯纤维织物相同散热量下对应的环境温度。结果表明，与传统织物相比，开发的热响应织物在低温下可以将供暖设定温度降低2.3℃，而在高温下可以将制冷设定温度升高2℃。对应地，空调的总能耗降低了将近30%，显示出巨大的节能潜力。

图4. 热响应织物的热学性能测试。

小结

本研究提出了一种采用金属化聚乙烯薄膜作为驱动器的热响应织物。在外界热刺激的作用下，其能通过驱动器的卷曲实现对人体多重散热途径的调控，从而实现制冷和保暖的双重功能。该工作为智能热调控织物的发展提供了新的方向和思路。

相关论文信息

▌论文标题：

Thermoregulatory clothing with temperature-adaptive multimodal body heat regulation

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386422002399

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100958

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