服装是人体与自然环境的缓冲带，在调节体温方面起着不可或缺的作用。天凉加衣，天热脱衣，这是生活常识。环境温度保持稳定时，我们可以一件衣服穿一天。但如果遇到温度骤变的场景，比如从凉爽的室内走到炎热的室外，人体可能会因为无法适应温度的波动而感到不适，甚至生病。夏季高发的中暑和流感，很多时候都是因为骤冷骤热导致的。能够根据环境改变温度的衣服其实很早就问世了，主要运用在运动服和宇航服上，但这些服装通常需要外部电源的辅助才能达到调节的目的。
15°C（左）和30°C（右）的温度自适应服装
香港理工大学纺织及服装学院范金土教授(Jintu Fan)带领研究团队克服了这些限制，开发了一款能够随着温度改变而自适应调节温度的服装。服装的外表面由大量金属和塑料制成的超薄轻质条带组成，当佩戴者感到温暖时，这些条带向外卷曲，使人的体温降低。相反，当佩戴者感到寒冷时，条带变平，抑制这种热量溢出。研究内容以Thermoregulatory clothing with temperature-adaptive multimodal body heat regulation为题发表在《Cell Reports Physical Science》上，并被Nature网站以“‘Smart’ clothing flexes to provide relief from the heat”为题，作为研究亮点报道。
【智能服装的工作原理】
图1. 基于金属化聚乙烯的温度自适应服装
衣服是用传统纱线编织的，但在正面和背面有矩形镂空，这些镂空上覆盖有致动器（图1A）。在炎热的环境中，致动器会向环境弯曲，从而增强身体散热能力；而在寒冷的环境中，致动器将恢复到其原始的扁平形状以抑制身体散热（图1B）。通常，热膨胀和收缩是常用材料的固有特性之一。聚乙烯（PE）的主链上有许多C-C键（图1D），其线性热膨胀率比典型纺织材料（例如尼龙和聚酯）高得多。在PE薄膜上沉积金属层，如Cu，就得到了双层结构。Cu层的热膨胀比（∼10−4)相较于PE膜（∼10−3)而言要小得多。
在炎热的环境中，下层的PE膜会膨胀，但上层的金属层几乎不会发生变化。两层材料的热膨胀能力不匹配，异构双层致动器将向环境弯曲。在此过程中，镂空部分可以直接将人体红外辐射传递到环境中，同时增强空气对流和汗液蒸发，强化散热效果，以达到冷却的目的。在寒冷的环境中，金属化的PE薄膜致动器将恢复其原始的扁平形状。在这种状态下，致动器可以将红外体辐射反射回皮肤，同时抑制由其低红外发射率引起的外表面（铜层）的红外辐射。因此，它有助于抑制身体散热并保持身体温暖（图1E）。
【双层薄膜的性能】
图2. 金属化PE膜作为温度响应致动器的弯曲性能
异构双层致动器的弯曲特性对于实现多模态个人热调节至关重要。使用封闭在小型环境室内的加热板测量了在不同环境温度下具有不同PE膜和铜层厚度的执行器的弯曲角度。研究表明，铜层厚度为40nm，PE膜厚为0.04 mm的执行器在35°C时表现出最大弯曲角。接着，选择了0.04 mm的PE薄膜厚度进一步研究了不同铜层厚度（即40、100、800和4000 nm）对致动器弯曲性能的影响。Cu800表现最佳，在35°C时的最大弯曲角度为310°。随着温度的升高，纯PE膜会膨胀，但不能弯曲。在这种情况下，弯曲角为零。然而，当PE膜涂覆铜层时，PE膜的膨胀将受到限制，而铜层会由于两层膜的热膨胀率不同而被驱动膨胀，从而导致弯曲变形。
除了不同的膨胀率外，铜的杨氏模量（115 GPa）远大于PE薄膜的模量（0.2 GPa）。较大的杨氏模量表明防止形状变形的能力更高。因此，PE膜的膨胀将受到铜层的显着限制，并且导致开始时弯曲角急剧增加。随着铜层厚度的进一步增加，金属层的刚度效应优于热膨胀比差异的影响，导致弯曲角减小。除了弯曲角度外，执行器还可以快速响应温度变化。最佳样品（Cu800）在升温时（15°C到35°C），只花了9s就达到了最大弯曲角度；而在降温时，也只花了40s就回到初始状态。致动器也表现出高稳定性，最大弯曲角度在500次循环后变化不大。
【基于双层薄膜的智能服装】
图3.温度自适应服装的热性能评估
人体红外辐射，在人体散热中占有很大比重（40%左右）。纺织品内表面的中红外光学性质影响了皮肤与纺织品之间的辐射传热，而纺织品的外表面则影响了纺织品与周围环境之间的辐射传热。由于PE薄膜的高红外透明度，人体辐射将在很大程度上被执行器的内表面反射回人体皮肤。平均而言，致动器的中红外反射率比传统织物（即棉和聚酯）高出约八倍，具有出色的隔热性能。铜层表现出较高的中红外反射率，但中红外发射率较低。从纺织品的外表面向环境发出的热辐射可以在很大程度上被铜层抑制，这使得从纺织品到环境的散热效果极佳。
文中接着对传统棉、传统聚酯和温度自适应纺织品的耐热性和耐湿性进行了量化。所提出的服装表现出对温度敏感的耐热性和耐湿性。
【结论】
文中开发了基于PE/Cu双层薄膜的温度自适应服装。服装重306.2克，比同款式的传统聚酯服装（∼350克）更轻，且在成本和舒适性方面也具有显著优势。金属层不仅有助于温度响应驱动（即弯曲），而且还诱导了服装的辐射加热。在相同的舒适度（或散热）下，与传统的棉和涤纶服装相比，所提出的服装在冷侧可以降低2.3°C的加热设定点，而在热侧将冷却设定点提高2.0°C。未来的工作将集中在服装的美学设计上，包括执行器的颜色和镂空支撑服装的服装图案。此外，开发的温度响应式执行器还可以帮助建筑物在寒冷环境中实现辐射加热，并在炎热环境中实现辐射冷却，有望大幅降低建筑供暖/制冷时的能耗，实现全年的建筑节能。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100958
来源：高分子科学前沿
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