穿上这种超材料织物既能防晒又能降温

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日期:2021-09-08 14:17:14    来源:科技日报    

刚刚过去的夏天,相信很多人一定为了不被晒黑而费尽心机,其中穿上防晒衣不失为一种防晒的好方法,但由于防晒衣的材质问题,穿上往往闷热不透气,不穿又难逃紫外线“魔爪”。

那么有没有一种材料可以让我们鱼与熊掌兼得呢?

最近,华中科技大学陶光明团队与多个科研单位交叉学科创新,突破性地研发了一种具有形态分级结构、可大批量制备的光学超材料织物(以下简称超材料织物),该织物既能防晒,又可让人体体表温度降低近5摄氏度,具有优异的可穿戴性,并与整个纺织行业相兼容,适合大规模推广制备和产业化应用。相关成果发表在美国《科学》杂志上。

既能防晒又能降温

近年来,为帮助人们应对户外极端气候条件,基于辐射制冷技术的人体热管理织物被广泛研究,即通过衣物对人体进行热量调节以提高舒适度,达到“自降温”效果。

目前,基于热传导和热对流的设计虽然能让人感觉温度舒适,但不能摆脱耗能、笨重等固有缺陷。

“在生产生活中,如何高效率、零能耗避免人们受到来自室外高温暴晒的热应激伤害?我们已经做了很多有益探索。”8月23日晚,华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院双聘教授陶光明走进直播间,以《交叉学科创新实现无源制冷超材料织物》为题,讲述了他们的科研故事。

此前,陶光明教授团队与其他科研和产业单位合作,研发了一种形态分级的光学超材料织物,可实现被动降温,使被制冷物的温度比周围环境低2—10摄氏度。

研究团队基于辐射制冷原理和形态分级的设计理念,设计制造出一种超材料织物,根据织物空间结构、纤维结构以及纤维内部纳米结构,在不同空间、不同尺度上进行分级,形成了一种宏观有序、微观随机的形态学分级体系。依据该结构设计,可将太阳辐射波段到中红外波段的光谱分为3段,交由超材料织物中的不同级次响应,最终实现紫外、可见—近红外及中红外波段的宽光谱精准调控,有效避免不同波段光谱串扰,优化光谱响应效率。

研究显示,相比于同色、同厚度的棉、氨纶、雪纺、麻等商用织物,超材料织物可明显“自降温”。

“将这种材料做成衣服穿在身上,就像背着一面镜子,外挂一台空调。”陶光明说,“镜子”不是说衣服像镜面一样直接反射阳光,而是指通过对超材料织物进行特定地排布和设计,如同打造了一个纳米迷宫,阳光照射进来,不断折射、拐弯,最后反射出去,以实现最大限度的光反射,阻挡热量输入。

“空调”也不是在衣服里加装制冷设备,而是利用宇宙背景的绝对低温冷源,借助大气透明窗口(8—13微米),增强人体与外部寒冷空间的热交换,最大化人体辐射散失,达到降温效果。

工艺流程与纺织行业兼容

如此高端的材料能否大规模生产呢?

陶光明说,超材料织物选用绿色环保的纺织用聚合物原料,工艺流程与整个纺织行业相兼容,适合大规模推广和产业化应用。

2020年12月7日,研究团队在广州制作了一半棉、一半超材料织物的自制背心进行实际人体皮肤测试,与白色棉织物相比,覆盖超材料织物的人体表面降温近5摄氏度,在站立情况下展现明显的降温效果。

此外,在2021年5月5日天津进行的模拟人体排汗降温测试中,研究团队发现超材料织物相较于白色棉织物可降温约4摄氏度。在广州的模拟汽车测试中,覆盖商用车罩可使汽车模型内部降温3摄氏度,而覆盖超材料织物可降温超过30摄氏度。

研究团队基于批量纤维制备技术获得了均匀连续的超材料纤维,进一步利用纺纱织造和层压技术,制备得到了超材料织物,克服了长期以来难以将实验室制造的织物应用于热管理实际场景的挑战。

陶光明介绍,研究团队对织物结构进行优化,将反射率提高到90%以上。同时,超材料织物具有较好的透气性、防水性、柔软舒适性、可穿戴性等优势。“从制衣成本上看,超材料织物成衣和普通织物衣服基本持平,仅增加1%—10%的成本。”陶光明说,超材料织物不仅适用于运动员、清洁工、快递员、外卖员和抗疫医护工作者等户外降温需求迫切的目标人群,也是普通人享受得起的科技新材料。

产业化应用任重道远

“超材料织物将有望打造具有超高产业附加值的战略性新兴产业,实现以交叉学科创新驱动纺织业转型升级。”陶光明直言,超材料织物技术革新的未来影响将十分深刻。

超材料织物实现了材料—光学—纺织技术跨领域多学科协同创新,并将推动传统纺织业的创新与发展。

陶光明坦言,如今超材料织物产业化仍面临诸多问题和挑战。“首先要解决颜色单一的问题,现在的超材料织物都是白色,织物色彩多样性方面还需进一步研究。”他说,此外,投入实际生产时,高速运行的工业化流水线设备是否能达到实验室设备的精度等,都需要研发团队接下来进行重点研究。

目前,陶光明所在的研发团队已将超材料织物初步应用于防护口罩和防护服的制作。与传统医用防护材料相比,采用超材料织物的防护用品可以实现户外2—5摄氏度的有效降温,待进一步研发后,有望在保持医用产品防护作用的基础上给医护工作者更好的体验。

“现在各行各业联系我们的人比较多,市场需求很强烈。”陶光明表示,项目从开始至今,吸引了大量化纤制造、纺纱纺织、时尚服饰等领域的行业巨头,并且我们已与国内外多家主流企业开始对接交流合作。

据悉,陶光明团队正在与国家体育总局合作,有望让该技术服务冬奥会及各类户外体育赛事,为科技体育作出贡献。同时,该技术还受到了社会各界的广泛认可,团队已与包括体育运动、户外工装、化纤纺织、时尚服装、医疗健康、智能物流、汽车行业、石油化工等不同领域的国内外多家标志性企业签署协议,进一步推动新型技术的研发和应用。

一旦实现产业化应用,超材料织物原材料如何补充?

超材料织物的主要原料是可生物降解的聚乳酸纤维。陶光明表示,聚乳酸材料只是团队研究的原材料之一。“我们正在做涤纶、氨纶、尼龙等材料的实验,进展非常顺利,这些化纤材料在中国的年产量非常庞大,没有后顾之忧。”他说。(孙川 记者 吴纯新 通讯员 高翔)

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