南开-马儒军团队︱ACS Nano：可改变阳光吸收的热致变色导电纤维用于个人热管理和温度可视化

南开-马儒军团队︱ACS Nano：可改变阳光吸收的热致变色导电纤维用于个人热管理和温度可视化
--- 材料科学与工程学院-中文 ---

来源：科匠文化

一、研究背景：

维持热稳态对于个人的热健康和热舒适十分重要。包括空调，风扇在内的现有热管理技术不仅能耗巨大，而且不适用于户外的环境。这种无差别的热管理技术不能满足每个人独特的需求。在过去的研究中，科学家们开始关注一个新型的领域，即个人热管理。通过调控织物的光谱特征，这种新颖的个人热管理织物可以提供一种局部的热管理策略，既有效调控了人体温度，又防止大量能源耗散在无效的空间加热，因此受到了学术界的广泛关注。过去的研究主要聚焦于加热或制冷等单一模式的热管理织物，这些功能织物无法有效地应对多变的气候环境。因此，南开大学马儒军团队提出了一种用于人体热管理的动态热管理织物。

二、文章简介：

针对上述问题，南开大学马儒军团队制备了一种具有核壳结构的热致变色导电纤维。首先，通过湿法纺丝制备了高电导率的Ag-PU导电纤维，通过退火处理，该导电纤维的电导率高达2579 S/cm。在此基础上通过电泳沉积制备了热致变色壳层。通过焦耳热和热致变色的结合。该功能纤维可以实现低能耗的动态热管理。相比于商用白色织物，该热致变色导电织物在炎热的环境-可以实现2.5 K的降温效果，而相应的普通商用织物则比室温高7.5-16 K。而在寒冷的环境中，焦耳热和热致变色效果的结合既可以提供理想的保温效果，同时良好的光热效应也减少了焦耳热的能耗（625 W/m²）。此外，这种灵敏的热致变色功能可以实现温度分布的可视化，有利于方便地监测人体表面的温度分布。相关研究成果发表于ACS Nano上。

三、研究内容：

1、该热致变色导电织物具有核壳结构，核层是湿法纺丝制备的高电导率的掺银导电纤维，壳层是在导电纤维的基础上通过电泳沉积制备的热致变色层。在炎热的环境下，该织物可以切换为制冷模式，在寒冷的环境下可以切换为加热模式。并且这种灵敏的热致变色材料还提供了一种温度可视化的功能。

图1. 热致变色导电织物的工作机理和制备过程。（A）热致变色导电织物的个人热管理和温度可视化示意图；（B）湿法纺丝示意图；（C）电泳沉积示意图。

2、该热致变色导电纤维具有核壳结构，核层为掺银导电纤维，壳层为热致变色材料。其中，壳层中的水性聚氨酯渗入核层的孔洞结构中，极大地提升了纤维的强度且不影响导电性。相比于普通的商用织物，热致变色导电纤维具备大范围的光谱可调性，因此适用于动态的热管理。此外，良好的水洗稳定性也增加了该织物的实用性。

图2. 热致变色导电织物的表征。（A）热致变色导电织物的截面形貌；（B）壳层厚度随时间的变化过程；（C）热致变色导电织物的照片；（D）导电纤维，热致变色导电纤维，热致变色导电织物的机械性能；（E）热致变色导电织物和普通商用织物的光谱图；（F）热致变色导电织物和普通商用织物的色度坐标；（G）热致变色导电织物浸泡前后的各项参数比较；（H）热致变色导电织物水洗前后的各项参数比较。

3、该热致变色导电纤维在炎热的环境下可以实现比商用白色织物低2.5 K的冷却效果，而普通商用织物则要高7.5-16 K。在寒冷的环境下焦耳热和热致变色效果的结合既可以提供理想的保温效果，同时良好的光热效应也减少了焦耳热的能耗（625 W/m²）。此外，这种灵敏的热致变色功能可以实现温度分布的可视化。在1064 nm激光的辐照下，同心圆状的图案该区域的热分布情况。

图3. 热致变色导电织物的应用。（A）测试装备示意图；（B）冷却模式下红色热致变色导电织物和商用织物的温度；（C）加热模式下红色热致变色导电织物和商用织物的温度；（D）冷却模式下不同颜色热致变色导电织物和商用织物的温度；（E）加热模式下不同颜色热致变色导电织物和商用织物的温度；（F）光热效应减少焦耳热能耗的证明；（G）三变色热致变色导电织物的变色效果；（H）三变色热致变色导电织物在激光辐照下的温度分布照片；（I）三变色热致变色导电织物在激光辐照下的温度分布。

四、结论与展望：

综上所述，本研究设计了一种具有核壳结构的热致变色导电纤维，其中导电芯被热致变色外壳覆盖。导电芯层采用湿纺工艺制备，壳层采用电泳沉积工艺制备。芯的高导电性(2579 S/cm)和外壳的热致变色性使热致变色导电纤维具有各种潜在的热应用。一方面，焦耳加热与多波段光热转换产生的热量相结合，实现了低能耗的热管理。该热致变色导电织物通过调节T太阳能吸收，不仅在寒冷时达到同样的加热效果，能耗更少(节能625 W /m²)，而且在炎热时具有普通商用织物所缺乏的冷却能力(低于白色商用织物2.5 K)。另一方面，具有三色的热致变色导电织物提供了敏感和即时的温度可视化，可以识别不可见和强烈的红外辐射。由于可规模化的湿纺和电泳沉积技术，这种纤维可以实现批量生产。它为扩展可穿戴柔性电子产品的潜在应用提供了另一条途径。

五、致谢：

感谢国家自然科学基金重点研发计划（2020YFA0711500），国家自然科学基金面上项目（51973095 and 52273248）和天津市自然科学基金重点项目的资助（21JCZDJC00010）。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c06289