工程师们编织出先进的面料可以为穿着者降温并让他们暖和起来

纺织工程师开发了一种由超细纳米线编织而成的织物，其中部分相变材料和其他先进物质结合在一起，生产出一种可以响应温度变化的织物，根据需要加热和冷却穿着者.

材料科学家设计了一种具有纳米级线的先进纺织品，其核心含有一种相变材料，当材料从液态变为固态时，可以储存和释放大量热量。将线与增强效果的电热和光热涂层相结合，他们从本质上开发了一种织物，既可以快速冷却穿着者，又可以随着条件的变化而暖和起来。

一篇描述制造技术的论文于8月10日发表在ACSNano上。

许多职业，从消防员到农场工人，都涉及严酷的炎热或寒冷环境。冷库、溜冰场、炼钢厂、面包店和许多其他工作场所都需要工人在不同的甚至极端的温度之间进行频繁的转换。这种有规律的温度变化不仅令人不舒服，而且会导致疾病甚至受伤，并且需要不断更换衣服很麻烦。一件毛衣可以让工人在冷肉储物柜中保持温暖，但当他们离开那个空间时，可能会使同一工人过热。

缓解此类工人或其他任何人(从运动员到旅行者)遇到这种不适的热或冷压力的一种选择是新兴的个人热管理纺织品技术。这些织物可以直接管理身体周围局部区域的温度。

这种织物通常使用相变材料(PCM)，当材料发生相变(或物质状态，例如从固态变为液态)时，相变材料可以储存并随后释放大量热量。

一种这样的材料是石蜡，它原则上可以以不同的方式结合到纺织材料中。当石蜡周围环境的温度达到其熔点时，其物理状态会从固态变为液态，这涉及到热量的吸收。然后当温度达到石蜡的冰点时释放热量。

不幸的是，到目前为止，PCMs固体形式的固有刚性和液体泄漏阻碍了它们在可穿戴热调节领域的应用。已经尝试了许多不同的策略，包括微囊化(其中PCM(如石蜡)被包裹在极小的胶囊中)，以提高“包装效率”以克服刚性和泄漏问题。

“这里的问题是相变微胶囊的制造方法复杂且成本非常高，”该论文的通讯作者、信州大学纤维工程研究所的高级纺织工程师HideakiMorikawa说。“更糟糕的是，此选项为任何实际可穿戴应用提供的灵活性不足。”

(a)分层芯鞘构造纤维的制造过程示意图，(b)同轴静电纺丝，(c)芯材的可逆相变过程，(d)太阳能热效应，(e)焦耳热效应，和(f)各种界面相互作用。学分：ACSNano(2022)。DOI:10.1021/acsnano.2c04971

因此，研究人员转向了一种称为同轴静电纺丝的方法。静电纺丝是一种制造直径为纳米级的极细纤维的方法。当包含在散装容器中的聚合物溶液(通常是带有针头的注射器)连接到高压电源时，电荷会积聚在液体表面。

很快就达到了一个点，即来自累积电荷的静电排斥大于表面张力，这导致液体的极细射流。随着液体射流在飞行中变干，它被产生射流的相同静电排斥进一步拉长，然后将产生的超细纤维收集在鼓上。

同轴静电纺丝大致相同，但涉及从相邻喷丝头供给的两种或多种聚合物溶液，从而可以生产涂层或中空纳米纤维。这些芯鞘光纤的结构类似于人们可能在立体声音响中使用的同轴电缆，但要小得多。

在这种情况下，研究人员将PCM封装在电纺纳米纤维的中心，以解决PCM泄漏的问题。最重要的是，超细纤维具有非常适合人类服装的柔韧性。

为了进一步扩大纺织品工作环境的范围以及热调节的精度，研究人员将PCM材料与另外两种个人热调节技术相结合。

将光响应材料(那些对太阳能的存在做出反应的材料)与PCM相结合，可能会进一步提高纺织品的能量存储能力。此外，如果工人发现自己处于多云、下雨或室内条件下，用将电转化为热的聚合物(电热传导涂层)涂覆复合材料可以补偿类似的能量存储膨胀。

研究人员将三种选择——PCM、碳纳米管和聚多巴胺太阳能吸收剂，以及由聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(称为“PEDOT:PSS”)制成的导电聚合物——组合成一个单一的“三模式”温度调节器和可穿戴纺织品。

这种多核壳结构可实现其各个组件之间的协同合作，并提供可适应各种环境温度变化的按需热调节。

研究人员现在的目标是进一步改善织物的相变特性，并为其材料开发实用的可穿戴应用。