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杜克大学徐伯均《Science Advances》:智能服装,监测到出汗就开启通风!
2021年12月28日    阅读量:2152    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

人体与环境之间通过服装的热传递主要包括传导与对流、辐射和汗液蒸发四种机制。在不同形式的热传递的基础上,各种无源智能纺织品/穿戴式已被开发,以调节热传导和热对流,热辐射或汗液蒸发,实现个人热管理。目前,汗液反应性体温调节可分为两类中国机械网okmao.com。一种是基于双组分纤维,可以将纱线在紧密和松散的形式之间转换。另一种是基于襟翼的打开和关闭。与光纤驱动器相比,襟翼双压电晶片驱动器由于更大的有效面积而具有更广泛的调谐范围。然而,据报道,用于襟翼配置的湿气响应材料比传统纺织品昂贵得多,并且调节机制完全基于对流,这两者都阻碍了进一步提高体温调节性能。此外,目前为控制传导、对流、辐射或汗液蒸发而设计的纺织品/可穿戴设备都是单独开发的。


徐伯均 博士

鉴于此,美国杜克大学Po-Chun Hsu博士和L. Catherine Brinson教授展示了一种多模态自适应可穿戴设备,带有由尼龙/金属异质结构组成的湿气响应襟翼,它可以同时调节对流、汗液蒸发和中红外发射,以响应人体汗水蒸汽来完成大而快速的热传递调节。研究结果表明,金属层不仅在低发射率辐射加热中起着至关重要的作用,而且还增强了双压电晶片驱动性能。与传统静态纺织品和单模态自适应可穿戴设备相比,多模态自适应设备在无需任何电力和能量输入的情况下,襟翼关闭时(干燥条件)温暖约16%,而在襟翼打开时(潮湿条件)凉爽14%。即尼龙-银混合体可以将热舒适区扩大30%。这项研究可作为一种很有前途的个人热量管理设计范例。相关工作以“Metalized polyamide heterostructure as a moisture-responsive actuator for multimodal adaptive personal heat management”为题发表在国际顶级期刊《Science Advances》上。

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尼龙-银异质结构湿敏可穿戴的概念和机制

为了实现多模态热管理,作者设计了三层(尼龙、银和SEBS纳米复合材料)和一组襟翼(图1)。尼龙6可以可逆地吸水和放水,通过吸湿膨胀实现双晶驱动。即当两侧存在湿度差异时,尼龙瓣会向湿度较低的方向弯曲,并在湿度差异消失后恢复到原来的状态。在顶部表面沉积一层Ag以实现低中红外发射率。当襟翼在干燥状态下关闭时,该层有效地抑制了辐射损失。相反,当在潮湿条件下打开襟翼时,由于人体皮肤接近完美的黑体,因此辐射传热会增加。此外,选择SEBS聚合物与Si、Fe2O3和CuO纳米颗粒的组合,可以作为有效的喷涂沉积的中红外透明着色层。

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图1尼龙-银异质结构湿敏可穿戴的概念和机制


尼龙-银致动器的湿气响应和抑制人体红外线发射特性

Nylon-Ag50(尼龙上沉积50 nm厚的Ag的样品)的弯曲角在引入水分时可以达到260°,当相对湿度 (RH) 从40%变为80%时,Nylon-Ag50可以在~14 s内完全打开,并在~45 s RH梯度消失时恢复到初始状态。如果湿度保持在80%,执行器的弯曲角度在2小时内保持不变(图2)。除了具有良好的弯曲性能和响应时间外,Nylon-Ag50 还表现出优异的稳定性,在200次循环后弯曲角度不变。

此外,金属层不仅可以提高尼龙的弯曲性能,还可以抑制人体的红外线发射(图3)。即使只有20 nm厚的Ag层,其发射率也可以降低到仅0.1,比传统纺织品和其他刺激响应材料小8到9倍左右,从而产生了优越的加热效果干燥状态。纯尼龙在中红外波段的透明度约为44%,因此顶部的Ag层还可以从下方增加中红外反射率,直接反射和捕获人体的热辐射,从而实现更强的散热效果。

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图2基于尼龙-银异质结构的湿敏驱动器的性能

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图3基于尼龙-银异质结构的湿敏驱动器的中红外性能


湿敏驱动器的热性能和户外实验

作者还进行了传热测量以量化多模态自适应热管理性能(图4)。在干燥状态下,传统纺织品#1、#2和#3的热通量分别为0.76、0.74和0.83,三个不同襟翼面积的裸尼龙样品均显示0.82的热通量。而尼龙-银可穿戴设备达到了0.65的热通量。潮湿条件下,传统纺织品#1、#2和#3的热通量分别为0.71、0.74 和0.78。而80%襟翼面积的尼龙-Ag可穿戴设备的热通量可以达到0.85。即尼龙-Ag可穿戴设备在襟翼关闭时干燥时温暖约16%,而在襟翼打开时潮湿时凉爽14%。此外,通过改变SEBS纳米复合材料的浓度来调整颜色深度。将该设备连接到市售T恤(背面)的背面,用于对志愿者进行户外实验(图5)。装置的襟翼在开始时处于关闭状态。当受试者开始锻炼时(约5分钟),设备的襟翼完全打开。正如预期的那样,当受试者停止运动并且汗水完全消失时,设备的襟翼恢复到初始关闭状态。

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图4基于尼龙-银异质结构的湿敏驱动器的热性能

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图5彩色可穿戴设备设计与户外实验


小结:作者展示了一种新的金属化尼龙基多模态智能可穿戴设备,带有汗液蒸汽驱动的低发射率襟翼,可以协同调节对流、中红外发射和从人体到环境空气的汗液蒸发。通过对光学和机械性能的合理设计,证明了尼龙-Ag可穿戴设备的适应性比传统的静态纺织品显着提高了30.7%。预计包装行业广泛使用的金属化工具,如抗静电袋、阻氧膜等,可以实现规模化制造。


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