CN108778012B - 用于人体冷却和加热的红外透明的多孔聚合物纺织物 - Google Patents

用于人体冷却和加热的红外透明的多孔聚合物纺织物 Download PDF

Info

Publication number
CN108778012B
CN108778012B CN201780011262.XA CN201780011262A CN108778012B CN 108778012 B CN108778012 B CN 108778012B CN 201780011262 A CN201780011262 A CN 201780011262A CN 108778012 B CN108778012 B CN 108778012B
Authority
CN
China
Prior art keywords
textile
layer
emissivity
coating
nanope
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201780011262.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN108778012A (zh
Inventor
Y·崔
S·范
P-C·许
A·Y·宋
P·B·卡特里斯
Y·彭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leland Stanford Junior University
Original Assignee
Leland Stanford Junior University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leland Stanford Junior University filed Critical Leland Stanford Junior University
Publication of CN108778012A publication Critical patent/CN108778012A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108778012B publication Critical patent/CN108778012B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A41—WEARING APPAREL
    • A41D—OUTERWEAR; PROTECTIVE GARMENTS; ACCESSORIES
    • A41D13/00—Professional, industrial or sporting protective garments, e.g. surgeons' gowns or garments protecting against blows or punches
    • A41D13/002—Professional, industrial or sporting protective garments, e.g. surgeons' gowns or garments protecting against blows or punches with controlled internal environment
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A41—WEARING APPAREL
    • A41D—OUTERWEAR; PROTECTIVE GARMENTS; ACCESSORIES
    • A41D31/00—Materials specially adapted for outerwear
    • A41D31/04—Materials specially adapted for outerwear characterised by special function or use
    • A41D31/06—Thermally protective, e.g. insulating
    • A41D31/065—Thermally protective, e.g. insulating using layered materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/12—Layered products comprising a layer of synthetic resin next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/02—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/022—Non-woven fabric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/02—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/024—Woven fabric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/02—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/08—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer the fibres or filaments of a layer being of different substances, e.g. conjugate fibres, mixture of different fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/22—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed
    • B32B5/24—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/26—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer another layer next to it also being fibrous or filamentary
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/02—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F6/04—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyolefins
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/58—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products
    • D01F6/62—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products from polyesters
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M15/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
    • D06M15/19—Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with synthetic macromolecular compounds
    • D06M15/21—Macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06M15/356—Macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds of other unsaturated compounds containing nitrogen, sulfur, silicon or phosphorus atoms
    • D06M15/3562—Macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds of other unsaturated compounds containing nitrogen, sulfur, silicon or phosphorus atoms containing nitrogen
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M17/00—Producing multi-layer textile fabrics
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N3/00—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof
    • D06N3/0043—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof characterised by their foraminous structure; Characteristics of the foamed layer or of cellular layers
    • D06N3/0054—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof characterised by their foraminous structure; Characteristics of the foamed layer or of cellular layers obtained by mechanical perforations
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N3/00—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof
    • D06N3/0056—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof characterised by the compounding ingredients of the macro-molecular coating
    • D06N3/0063—Inorganic compounding ingredients, e.g. metals, carbon fibres, Na2CO3, metal layers; Post-treatment with inorganic compounds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N3/00—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof
    • D06N3/04—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof with macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N3/00—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof
    • D06N3/04—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof with macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06N3/047—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof with macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds with fluoropolymers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A41—WEARING APPAREL
    • A41D—OUTERWEAR; PROTECTIVE GARMENTS; ACCESSORIES
    • A41D27/00—Details of garments or of their making
    • A41D27/28—Means for ventilation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2255/00—Coating on the layer surface
    • B32B2255/02—Coating on the layer surface on fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2255/00—Coating on the layer surface
    • B32B2255/20—Inorganic coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2255/00—Coating on the layer surface
    • B32B2255/20—Inorganic coating
    • B32B2255/205—Metallic coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2255/00—Coating on the layer surface
    • B32B2255/24—Organic non-macromolecular coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/02—Synthetic macromolecular fibres
    • B32B2262/0253—Polyolefin fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/02—Synthetic macromolecular fibres
    • B32B2262/0276—Polyester fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/06—Vegetal fibres
    • B32B2262/062—Cellulose fibres, e.g. cotton
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/14—Mixture of at least two fibres made of different materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/30—Properties of the layers or laminate having particular thermal properties
    • B32B2307/304—Insulating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/40—Properties of the layers or laminate having particular optical properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/40—Properties of the layers or laminate having particular optical properties
    • B32B2307/41—Opaque
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/70—Other properties
    • B32B2307/724—Permeability to gases, adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/70—Other properties
    • B32B2307/728—Hydrophilic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2437/00—Clothing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2437/00—Clothing
    • B32B2437/02—Gloves, shoes
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N2209/00—Properties of the materials
    • D06N2209/06—Properties of the materials having thermal properties
    • D06N2209/065—Insulating
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00—Physical properties
    • D10B2401/20—Physical properties optical

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Professional, Industrial, Or Sporting Protective Garments (AREA)
  • Mattresses And Other Support Structures For Chairs And Beds (AREA)
  • Manufacturing Of Multi-Layer Textile Fabrics (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)

Abstract

一种调节人体温度的方法包括：(1)提供包括纺织物的服装制品，其中所述纺织物包括至少一个包括聚烯烃的多孔层；和(2)将所述服装制品与所述人体相邻放置。所述多孔层具有平均孔径在50nm和1000nm范围内的孔。

Description

用于人体冷却和加热的红外透明的多孔聚合物纺织物
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月17日提交的美国临时申请第62/296,549号的权益，所述临时申请的内容以全文引用的方式并入本文中。
关于联邦赞助的研究或开发的声明
本发明在政府支持下在由能源部(Department of Energy)授予的合同DE-AR0000533号下进行。政府对本发明拥有一定的权利。
技术领域
本公开总体上涉及用于调节人体温度的纺织物。
背景技术
室内加热、通风和空气调节(HVAC)占全球能量消耗的约三分之一。减少使用HVAC可益于经济和环境。举例来说，将HVAC的设定点范围扩大约+/-4℉可节省大于约30％的建筑物的能量消耗。人体热耗散具有三种形式：传导、对流和辐射。在这些耗散途径中，在正常皮肤条件下辐射占总热损失的约40％或更多，但是传统纺织物未被设计成控制辐射的热损失。传统纺织物捕获人体周围的空气以改变对流或传导耗散速率。然而，通常传统纺织物并未充分地控制来自辐射的热耗散。期望提供红外(IR)透明并且可通过辐射控制调谐其热特性的纺织材料。
针对此背景，需要开发本公开的实施方式。
发明内容
具有冷却/加热双功能作用的IR透明纺织物(IR-transparent textile)可帮助减少室内HVAC使用。本公开的一些实施方式使用多孔IR透明纺织物以帮助人体耗散辐射来相比于传统纺织物改进冷却。IR透明纺织物的多孔结构还具有较高透气性和较高通气性。当与涂层组合时，此纺织物可变得反射人体IR辐射并且在加热模式中操作。
与传统纺织物不同，一些实施方式的IR透明纺织物对由人体发射的IR辐射吸收低，因此IR辐射可自由传输到环境中并且引起穿戴者感觉较凉爽。同时，孔经适当设定大小以散射可见光并且使纺织物对可见光不透明。在一些实施方式中，孔经设定大小以主要散射可见光而不是IR辐射。这些孔可互连，并且可使纺织物可透气并且提高经由传导和对流的热耗散。结果为IR透明并且可见不透明的纺织物。除IR透明多孔纺织物用于冷却目的以外，可提供双功能，即在同一块纺织物中冷却和加热。为了实现双功能，纺织物并入在一侧上具有高发射率而在另一侧上具有低发射率的双层。当低发射率层面向外侧时，它限定热辐射损失并且保持穿戴者温暖。另一方面，当高发射率层面向外时，热辐射任意排出并且穿戴者感觉较凉爽。
在一些实施方式中，提供调节人体温度的方法。方法包括将纺织物与人体相邻放置，其中纺织物包括至少一个包括多孔聚烯烃或其它多孔聚合物的层或片，其中所述层具有大小在约50nm和约1000nm范围内的孔，并且其中所述层为IR透明并且对可见光不透明的。
在一些实施方式中，多孔聚烯烃为多孔聚乙烯。在一些实施方式中，多孔聚烯烃为多孔聚丙烯。可使用另一种多孔聚烯烃，如具有合适孔的另一种热塑性聚烯烃或聚烯烃弹性体。可使用其它多孔聚合物，如基本上不含以下官能团中的一种或多种的聚合物：C-O；C-N；芳香族C-H；和S＝O，如含量不大于约1mmol/g、不大于约0.1mmol/g、不大于约0.01mmol/g、不大于约0.001mmol/g、不大于约0.0001mmol/g的这些官能团中的一种或多种的聚合物。
在一些实施方式中，多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)具有或限定经设定大小以主要散射可见光而不是IR辐射的孔。举例来说，孔可为纳米尺寸(例如呈纳米孔形式)以便与可见光的波长相当并且低于IR辐射的波长，或低于中IR辐射的波长。在一些实施方式中，孔的平均孔径在约50nm和约1000nm范围内，如约50nm到约900nm、约50nm到约800nm、约50nm到约700nm、约50nm到约600、约50nm到约500nm、约50nm到约400nm、约100nm到约400nm，或约500nm和约1000nm，但是也涵盖平均孔径至多约2μm或至多约3μm的较大孔。在一些实施方式中，多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的平均孔径不大于约1000nm，如在前文陈述的范围内。孔径可使用例如Barret-Joyner-Halenda模型确定。在一些实施方式中，多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的孔体积(对应于由于存在孔的空空间或空隙)在约10％和约90％范围内，如约20％到约80％、约30％到约70％，或约40％到约60％，或在至少约10％，如至少约15％、至少约20％、至少约25％、至少约30％、至少约35％，或至少约40％，并且至多约60％、至多约70％或更大的范围内。
在一些实施方式中，包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的层在9.5μm的波长下的IR辐射透射率(transmittance)为至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％，或至少约80％，并且至多约90％或更大，至多约95％或更大，或至多约98％或更大。在一些实施方式中，包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的层在7-14μm的波长范围内的IR辐射的加权平均透射率为至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％，或至少约80％，并且至多约90％或更多或至多约95％或更多。在一些实施方式中，包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的层对在400-700nm波长范围内的可见辐射的不透明度为至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％，或至少约80％，并且至多约90％或更大、至多约95％或更大，或至多约99％或更大。
在一些实施方式中，包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的层为包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的非织造纺织物层。
在一些实施方式中，纺织物为多层的，所述层为第一层，并且纺织物进一步包括第二层，如选自棉布(cotton)的层(例如棉布网)或聚酯的层(例如聚酯网)。更一般来说，包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的层可与一个或多个额外层(如一层或多层其它纺织材料(例如棉布或聚酯))层合或以其它方式组合。
在一些实施方式中，包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的层为包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的织造纺织物层。
在一些实施方式中，层为包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的织造纺织物层，其中多孔聚烯烃可被布置成纱线，并且纱线可被织造成纺织物层，和任选地其中纱线可与另一种纺织材料(如选自棉布或聚酯)混合。
在一些实施方式中，纺织物经化学处理以变为亲水性的。
在一些实施方式中，纺织物限定多个孔，并且其中孔大小(例如平均直径)为约100μm(更一般来说，在约1μm到约1mm范围内)，其中相邻孔之间的间距(例如平均间距)为约500μm(更一般来说，在约1μm到约1cm范围内)。
在一些实施方式中，纺织物提供冷却或加热作用。
在一些实施方式中，纺织物涂布有IR反射层以提供加热作用。
在一些实施方式中，纺织物可用于各种服装制品，如服饰和鞋类以及其它产品。
在一些实施方式中，包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的层为包括第一多孔聚烯烃(或其它第一多孔聚合物)的第一层，并且纺织物进一步包括包括第二多孔聚烯烃(或其它第二多孔聚合物)的第二层，所述第二多孔聚烯烃(或其它第二多孔聚合物)可与包括在第一层中的第一多孔聚烯烃(或其它第一多孔聚合物)相同或不同。纺织物进一步包括第一涂层和第二涂层，其中第一涂层和第二涂层对IR辐射具有不同发射率，第一涂层和第二涂层设置在第一层和第二层之间，第一涂层与第一层相邻(例如直接紧靠着)，并且第二涂层与第一涂层相邻(例如直接紧靠着)并且与第二层相邻(例如直接紧靠着)。在一些实施方式中，第一涂层为高发射率涂层或层并且在9.5μm的波长下IR辐射的发射率为至少约0.6、至少约0.65、至少约0.7、至少约0.75、至少约0.8、至少约0.85或至少约0.9，并且第二涂层为低发射率涂层或层并且在9.5μm的波长下IR辐射的发射率不大于约0.5、不大于约0.45、不大于约0.4、不大于约0.35或不大于约0.3。在一些实施方式中，第一涂层为高发射率涂层或层并且在7-14μm的波长范围内的IR辐射的加权平均发射率为至少约0.6、至少约0.65、至少约0.7、至少约0.75、至少约0.8、至少约0.85或至少约0.9，并且第二涂层为低发射率涂层或层并且在7-14μm的波长范围内的IR辐射的加权平均发射率不大于约0.5、不大于约0.45、不大于约0.4、不大于约0.35或不大于约0.3。在一些实施方式中，第一涂层和第二涂层的发射率(在9.5μm的波长下或在7-14μm的波长范围内的加权平均)的差为至少约0.2、至少约0.3、至少约0.4、至少约0.5、至少约0.6或至少约0.7，并且至多约0.8或更大。在一些实施方式中，第一层的厚度大于第二层的厚度，如其中第一层的厚度为第二层的厚度的至少约1.1倍、至少约1.3倍、至少约1.5倍或至少约1.8倍，并且至多约2倍或更大，或至多约3倍或更大。在一些实施方式中，将纺织物与人体相邻放置，使得在冷却模式中，第一涂层放置成比第二涂层更远离人体。在一些实施方式中，将纺织物与人体相邻放置，使得在加热模式中，第二涂层放置成比第一涂层更远离人体。用于第一涂层的合适的材料包括含碳材料(例如碳黑或其它形式的碳)、非金属氧化物(例如二氧化硅)和非金属氮化物(例如氮化硅)，并且用于第二涂层的合适的材料包括金属(铜、铝和钛)和金属合金。
在一些实施方式中，纺织物的水蒸气透过率(water vapor transmission)为至少约0.005g/cm2·h、至少约0.008g/cm2·h、至少约0.01g/cm2·h、至少约0.012g/cm2·h、至少约0.014g/cm2·h，或至少约0.016g/cm2·h，并且至多约0.02g/cm2·h或更大。在一些实施方式中，纺织物的通气率的至少约10cm3/s·cm2·Pa、至少约20cm3/s·cm2·Pa、至少约30cm3/s·cm2·Pa、至少约40cm3/s·cm2·Pa、至少约50cm3/s·cm2·Pa，或至少约60cm3/s·cm2·Pa，并且至多约80cm3/s·cm2·Pa或更大。在一些实施方式中，纺织物的芯吸率(或距离)为至少约2mm、至少约4mm、至少约6mm，或至少约8mm，并且至多约10mm或更大。在一些实施方式中，纺织物的拉伸强度为至少约10N、至少约20N、至少约30N，或至少约40N，并且至多约60N或更大。在一些实施方式中，纺织物在9.5μm的波长下的IR辐射透射率为至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％，或至少约80％，并且至多约90％或更大、至多约95％或更大，或至多约98％或更大。在一些实施方式中，纺织物在7-14μm的波长范围内的IR辐射的加权平均透射率为至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％，或至少约80％，并且至多约90％或更大或至多约95％或更大。在一些实施方式中，纺织物对在400-700nm波长范围内可见辐射的不透明度为至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％，或至少约80％，并且至多约90％或更大、至多约95％或更大，或至多约99％或更大。
在额外实施方式中，提供纺织物，其中纺织物包括至少一个包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的层或片，其中层具有大小在约50nm和约1000nm范围内的孔，其中层为IR透明并且对可见光不透明的，并且其中纺织物经化学处理以变为亲水性的。在一些实施方式中，纺织物涂布有或包括亲水性试剂(如聚多巴胺(PDA))的涂层。
在额外的实施方式中，提供纺织物，其中纺织物包括至少一个包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的织造纺织物层或片，其中织造纺织物层包括孔大小在约50nm和约1000nm范围内的纤维，其中织造纺织物层为IR透明并且对可见光不透明的。
在另外的实施方式中，提供纺织物，其中纺织物包括至少一个包括多孔聚烯烃(或其它多孔聚合物)的层或片，其中纺织物进一步包括与包括多孔聚烯烃的层相邻的第一涂层和第二涂层，并且第一涂层和第二涂层对IR辐射具有不同发射率。
还考虑本公开的其它方面和实施方式。前述发明内容和以下具体实施方式并不意指将本公开限制于任何特定实施方式，而仅意在描述本公开的一些实施方式。
附图说明
为了更好地理解本公开一些实施方式的性质和目的，应结合附图参考以下具体实施方式。
图1.光子管理控制的概念。
图2.在加热模式下的纺织物的实例。
图3.身体热耗散的辐射。
图4.用于减少室内冷却能量消耗的IR透明纺织物。(A)示意图解释IR透明纺织物的功能。人体辐射通过IR透明纺织物自由耗散并且增强身体冷却。这意指由空调器设定的室内温度可较高以降低能量输入。传统纺织物为IR不透明的并且没有足够的辐射冷却效应。(B)根据纺织物的IR透射率，维持相同热舒适性的空调器设定点比较。当纺织物变得较不隔热时，空调设定点可提高，而不会使穿戴者不舒服。此外绘制IR不透明棉布和裸露皮肤用于比较。结果示出辐射冷却效应可大大降低室内冷却的需要。聚烯烃膜的IR透射率可为约90％-95％，并且因此对于IR透明纺织材料是期望的。
图5.在由透明层(具有反射率ρ和透射率τ)分隔开皮肤和房间墙壁之间的辐射热传递的几何形状。
图6.穿衣服的人类皮肤的热传递模型的示意图。
图7A.纺织材料的分子结构。
图7B.其它纺织材料对纳米多孔聚乙烯(NanoPE)的IR特性。(A)傅里叶变换红外光谱法(FTIR)总透射光谱。(B)衰减全反射(ATR)FTIR光谱示出在人体辐射的波长范围内出现的其它织物的若干吸收峰。
图8.聚乙烯的分子结构。
图9.nanoPE的IR特性和形态。(A)在nanoPE、普通PE和棉布之间的比较的示意图。NanoPE同时满足IR透明度、可见光不透明度和对流。(B)分别地IR和可见光的模拟总透射率和镜面透射率。(C)对于各种孔径，基于人体辐射的模拟加权平均透射率。平均透射率随孔径增大从高于约90％下降到约80％并且开始影响人体辐射的透过率。(D)nanoPE的图像示出其可扩展性。(E)nanoPE的扫描电子显微法(SEM)图像。插图为nanoPE的放大SEM图像。纳米孔大小为约50-1000nm，这是期望的以确保高IR透射率。(F)nanoPE、普通PE和棉布的总FTIR透射率。因为小孔径，所以nanoPE与普通PE一样透明。另一方面，棉布为不透明的。(G)样品的图像。NanoPE具有与棉布类似的外观，但是典型的PE为透明的并且不适用作纺织材料。(H)可见光不透明度测量定量地证实nanoPE与棉布一样不透明。
图10.对于各种孔径的IR透射率的模拟。平均孔径为约0.2μm、约0.4μm、约0.8μm、约2μm、约1.6μm、约2.4μm，和约4.8μm。随孔径增大，对应的透射率突降朝向较长波长移位，这将使平均透射率降低到人体辐射(由灰色阴影区域表示)。
图11.nanoPE和各种纺织物样品的热测量。(A)纺织物热测量的实验装置。产生基本恒定加热功率的加热元件用于模拟人类皮肤，并且通过热电偶测量“皮肤温度”。皮肤温度越低指示冷却作用越好。(B)裸露皮肤、nanoPE、棉布和Tyvek的热测量。NanoPE因为其高IR透明度而具有比棉布和Tyvek好的冷却作用。(C)裸露皮肤和三个样品的热成像。NanoPE因为其IR透明度而可展现H形金属图案。
图12.纤维状聚乙烯纺织物的形态和IR特性。(A)纺织物的SEM图像呈现大纤维和粗孔，这导致低IR透射率。(B)放大的SEM图像。(C)纺织物的FTIR透射率。
图13A.模拟的皮肤温度比较。
图13B.皮肤温度比较(在加热模式中操作)。
图14.用于各种穿着性能测试的nanoPE的处理。(A)聚多巴胺(PDA)-nanoPE-网的制造方法的示意图。在所有纺织物测试中，PDA-nanoPE-网示出与棉布相当的性能。(B)水蒸气透过率测试示出人类汗液可如何传输通过纺织物。(C)通气率测试检查在某一压降下通过纺织物的空气流动速率。(D)芯吸距离示出转移汗液用于快速蒸发的能力。(E)拉伸强度测试展示PDA-nanoPE-网具有与棉布基本上相同极限拉伸强度。
图15.PDA-nanoPE-网的光学表征。(A)PDA-nanoPE-网的图像。大小为约1mm的孔为焊接点。用于改进通气率的微米大小的孔几乎不可察觉。(B)PDA-nanoPE-网的光学显微镜(OM)图像示出微米大小的孔的大小和间距分别为约100μm和约200μm。(C)棉布纺织物的OM图像。
图16.PDA-nanoPE-网的特性。(A)总IR透明度。(B)可见光不透明度。(C)冷却特性。
图17.用于严格耦合波分析(RCWA)透射率模拟的单位单元(俯视图)。
图18.nanoPE纺织物的制造方法。
图19.nanoPE纤维的SEM图像。
图20.双模纺织物的示意图。(A)传统纺织物具有单一发射率，因此辐射热传递系数为固定的。(B)对于嵌入IR透明nanoPE中的双层热发射体，当高发射率层面向外侧并且在皮肤和发射体之间的nanoPE薄时，高发射率和高发射体温度引起大的热传递系数，因此纺织物处于冷却模式。(C)翻转纺织物，并且低发射率和低发射体温度引起热传递系数降低。现在纺织物在加热模式中操作。
图21.双模纺织物形态和发射率表征。(A)包括高发射率层的碳涂布的nanoPE的图像。(B)碳涂层的SEM图像展现有利于提高发射率的粗糙和多孔结构。(C)包括低发射率层的铜涂布的nanoPE的图像。(D)铜涂层的SEM图像示出对于中红外，表面为光学平滑的。纳米孔保持打开用于空气和蒸气透过。(E)双模纺织物的图像。在碳侧上存在两个nanoPE层并且在铜侧上存在一个nanoPE层。(F)通过配备有漫射金积分球的FTIR测量的碳和铜涂层的发射率。(G)标记有材料和厚度的双模纺织物的示意图。所有材料为多孔的，用于允许空气和蒸气透气性。
图22.双模纺织物的热测量。(A)各种条件的稳态人造皮肤温度：裸露皮肤、传统纺织物、冷却模式纺织物和加热模式纺织物。冷却和加热模式为具有不同面向外的侧的同一块样品，并且所得人造皮肤温度不同。(B)具有八种不同顶层发射率的四种双模纺织物产生不同的皮肤温度。皮肤温度与顶层发射率负相关，这指示朝向环境的辐射热传递的重要性。(C)由模式切换引起的温差与两层的发射率差正相关。此外测量仅碳和仅铜样品以验证双模态不取决于发射率的绝对值而是其差。(D)作为顶层和底层发射率函数的计算的人造皮肤温度。当Δε＝约0.8时，出现通过双模纺织物产生的最大温差，这用星号标记。
图23.通过双模纺织物的热舒适性区域(thermal comfort zone)的扩大。(A)裸露皮肤、传统纺织物和双模纺织物的热舒适性区域。人造皮肤温度在约32℃-36℃之间。(B)在不同环境温度下，双模和传统纺织物的实时热测量结果。通过在高环境温度下使用冷却模式和在低温下使用加热模式，人造皮肤温度保持在约32℃-36℃内，甚至当环境温度改变时，保持在约16℃-25℃之间。相比之下，传统纺织物遵循环境温度变化的趋势并且导致在环境温度摆动期间热不舒适。误差条代表三个测量结果的标准偏差。
图24.纺织物的热电路模型。(A)传统纺织物。(B)冷却模式纺织物。(C)加热模式纺织物。
图25.在碳/nanoPE上的铜沉积。(A)铜涂布的碳/nanoPE的图像。因为铜为约150nm厚，而碳层的粗糙度为约9μm，所以外观仍然是粗糙并且暗的。(B)铜涂布的碳/nanoPE的发射率。发射率比其中铜涂布在nanoPE上的样品高得多。
图26.热测量设备的示意图。(A)热测量设备的侧视图。注意，尺寸不按比例。(B)设备的加热器部分的倾斜视图。
图27.出汗加热板热测量。(A)出汗加热板热测量的示意图。除了如在图26中所示的热测量设备的基本组件之外，现在水可从金属泡沫通过纺织物样品蒸发到周围环境中。在此测量中，调节热通量以实现目标皮肤温度(约35℃)。(B)从热通量和温差导出的总热传递系数。即使包括蒸发热量，双模纺织物仍呈现两种不同的热传递系数。传统纺织物比加热纺织物更温暖，这与干燥热测量结果不同(图26A)。这指示传统运动衫具有较差湿度转移特性并且与在图30中的水蒸气透过率测量一致。
图28.用于实验中的样品#1-4的发射率。(A)样品#1。(B)样品#2。(C)样品#3。(D)样品#4。
图29.各种样品的热测量和加权平均发射率。对于仅碳和仅铜样品，不存在发射率对比。人造皮肤温度与顶层发射率而不是底层强相关。
图30.双模纺织物、T恤衫和运动衫的穿着性测试。(A)水蒸气透过率测试。(B)通气率测试。(C)芯吸测试。(D)拉伸强度测试。
图31.双模纺织物针对洗涤循环的耐久性。在经历穿着性改性、清水搅拌×2、清洁剂溶液搅拌×2和洗衣机洗涤×2之后，人造皮肤温度和同一块双模纺织物的顶层发射率的演变。由于碳涂层内侧的粘结剂和通过nanoPE提供的保护，所以维持性能。
图32.用于双层发射体的其它材料的发射率。(A)nanoPE/Ti/C/nanoPE×2。(B)nanoPE/Al/C/nanoPE×2。(C)nanoPE×2/SiO2/Cu/nanoPE。(D)nanoPE×2/Si3N4/Cu/nanoPE。
图33.在T皮肤＝约34℃下，作为顶层和底层发射率函数的计算的舒适环境温度。
图34.在IR透明和IR不透明双模纺织物之间的比较。(A)四种模式的热传递电路模型：IR不透明加热/冷却和IR透明加热/冷却。(B)四种模式的温度曲线。应注意，IR透明纺织物具有比IR不透明纺织物好得多的冷却作用，但是加热作用类似。因此，IR透明纺织物可实现较大双模态。
图35.用于热导率测量的防护加热板装置。
图36.传统纺织物的发射率波谱。
图37.作为温度函数的加热模式、冷却模式和传统纺织物的加权平均发射率。贯穿整个温度范围，发射率保持基本恒定。这意味着对于纺织物的灰色体估算在温度范围内有效。
图38.隔热特性测量。
具体实施方式
用于辐射人体冷却的多孔聚合物纺织物
能量消耗和气候改变是第21世纪人类的两个挑战。高能量消耗直接导致严重妨碍气候平衡和引起全球变暖和极端气候的过量温室气体排放。因此，已经努力开发可再生能量，如太阳能、风能、海洋能、氢和碳中性燃料。另一方面，此外期望降低当前能量消耗和改进能效。
能效，如使用更高效节能电气设备或建筑设计，为克服能量不足的挑战的有成本效益的方式。此外，室内加热和冷却为全球能量消耗的相当大的一部分，并且期望降低室内温度控制的能量消耗。针对个人的热管理为扩大室内温度设定点范围以节省能量和实现期望个人冷却的策略。
本公开的一些实施方式为室内穿戴者引入IR透明纺织物。在一些实施方式中，所提议的纺织物为加热/冷却双功能，这有助于减少使用HVAC，而不有损舒适性和透气性。所提议的IR透明纺织物可适用于想要降低其HVAC能量消耗的任何实体。举例来说，其可用于在工作环境下的制服和用于住宅房屋的便服。
一些实施方式提供对于冷却是IR透明的或对于加热是IR反射的纺织物并且因此更有效地维持期望的人类皮肤温度。
参考图1，传统纺织物主要关注改进对流或传导热损失以实现冷却作用，但是未被设计成控制作为主要因素的辐射热损失。提议多孔IR透明膜用作允许人体辐射更自由地传输到环境中并且实现有效身体冷却的纺织物。多孔结构散射可见光以使其可见不透明但仍然是IR透明的。此外，多孔结构提供通过其互连孔的对流/传导热损失。当用IR反射层(例如金属层)涂布时，此纺织物通过捕获身体周围的人体辐射变为加热模式，如图2中所示。
基于光子管理控制的概念，开发可调节其辐射耗散而不包括电布线的无源热响应性纺织物。另外，孔径和几何形状可经工程化以实现较高透气性，并且表面可经化学改性用于改进的水亲和力。
在一些实施方式中，本公开展示纳米多孔聚乙烯(nanoPE)作为促进有效辐射冷却以有助于人体热耗散的纺织材料。NanoPE为对中IR人体辐射基本上透明。基于模拟结果，由nanoPE覆盖的人类皮肤温度低于由棉布覆盖的皮肤约2.7℃，引起可能空气调节能量节省约25％-35％。出于不透明外观，纳米孔的大小(例如约50-1000nm)被设计成散射可见光，但是使中IR透射率基本上不变。此外，对nanoPE成功地应用若干处理用于改进的穿着性，如适用于纺织物的通气率、水芯吸速率和机械强度。此nanoPE为有效和可扩展的，并且可提供室内能量节省的高效方式。
参考图3，在约34℃的正常皮肤温度下，人体发射约7-14μm中IR辐射，其中其峰值在约9.5μm处。
在室内情形中，IR辐射的热耗散占总身体热损失的大于约50％。如果此辐射耗散路径可在夏季期间增强并且在冬季期间抑制，那么将实现个人热管理的目的。然而，传统纺织物对IR辐射几乎没有控制。基于此策略，通过使用金属纳米线涂布的纺织物在寒冷气候期间在没有额外能量输入的情况下可实现无源个人加热，所述金属纳米线涂布的纺织物反射大于约40％的人体IR辐射并且使人体升温。对于在热气候中的个人冷却，目标为使纺织物IR透明，使得人体辐射可快速耗散。因为人类皮肤为极好的IR发射体(发射率为约0.98)，所以IR透明纺织物允许大量的热量穿过。
参考图4A，在具有普通纺织物的类似对流/传导冷却作用的假定下，IR透明纺织物提供更大的人体热耗散，因此室内温度可更高而不会引起热不适。就能量而言，将室内温度设定点提高约1℃可引起能量节省约7％-15％，并且约4℃设定点差可节省至多约35％-45％。此外，与珀尔贴(Peltier)冷却或循环水/空气冷却不同，个人辐射的冷却为无源的，其中不涉及额外的能量输入。因此，穿着IR透明衣服可节省大量的能量。
为了估计纺织物对空调设定点的影响，数值求解穿衣服的人类皮肤的实例稳态热传递模型。假设代谢产热速率和皮肤温度基本恒定，并且热传递为一维的，具有较低隔热性的纺织物在皮肤和空气之间具有较小温差，这意味着空调设定点将较高。求解在每个界面处的热传递方程可得到空调设定点。下文阐述热传递和空调设定点的详细计算。
用于透明中间层的净辐射法
为了计算在不透明表面(皮肤和房间墙壁)与在它们之间的透明层(理想的非吸收纺织物)之间的辐射热传递，使用修改的净辐射法，其适用于涉及对于辐射能量为透明的墙壁。如在图5中所说明，用于几何形状的净辐射方程如下：
在表面1(皮肤)处
qi,1+q＝qo,1 (1)
Figure GDA0002486690140000091
在表面2(墙壁)处
qi,4＝q+qo,4 (3)
Figure GDA0002486690140000092
对于透明层(理想的非吸收纺织物，ε3＝0)
qo,2＝qi,3τ+qi,2ρ (5)
qo,3＝qi,2τ+qi,3ρ (6)
其中τ和ρ为层的整体透射率和反射率。向外和向内辐射热通量qo和qi如下相关：
Figure GDA0002486690140000093
这些关系求解q(W/m2)，其为从皮肤传递到墙壁的热通量。通过使用在反射率和透射率之间(对于非吸收层有效)的关系ρ＝1-τ简化结果以得到：
Figure GDA0002486690140000101
对于在两个不透明表面之间的辐射热传递，在方程(8)中假设τ＝1以得到：
Figure GDA0002486690140000102
空调设定点模拟
空调设定点在恒定皮肤温度(T皮肤＝34℃)和恒定身体产热(q＝70W/m2)下基于不同纺织物隔热特性指定环境温度。首先，模型用于作为一维、稳态问题模拟从人类皮肤传输到周围环境的热量。模型示意图在图6中示出。
因为不存在其它热源，所以总热通量应等于在每一位置处的代谢热通量，并且它由辐射和非辐射热传递贡献：
q总＝q皮肤＝q辐射+q非辐射 (10)
存在三个未知数：空调设定点(T空调)、纺织物外表面温度(T外)，和纺织物内表面温度(T内)。三个热传输方程描述在纺织物外表面、纺织物内侧和在空气间隙中的热传递机理。对于IR不透明纺织物，外表面热传递包括自然对流和辐射。在纺织物内侧，热传导占主导。在空气间隙中，存在空气传导和辐射。注意，空气间隙的瑞利数(Rayleigh number)为约0.2，因此非辐射热传递主要为传导而不是对流。对于IR透明纺织物，非辐射热传递方程与IR不透明纺织物相同。然而，辐射热通量有助于纺织物内侧的总热通量并且在皮肤和空气之间各处具有相同值。这是因为假设IR透明纺织物具有零发射率，因此存在两种辐射发射体：皮肤和墙壁。裸露皮肤、IR不透明纺织物和IR透明纺织物的方程如下：
裸露皮肤
Figure GDA0002486690140000103
IR不透明纺织物
Figure GDA0002486690140000104
IR透明纺织物
Figure GDA0002486690140000111
其中参数如下：
表1：
Figure GDA0002486690140000112
因为假设IR透明纺织物的表面发射率为零，所以部分IR透明纺织物的IR反射率得到ρ＝1-ε-τ＝1-τ。对于辐射耗散，反射与热量传输反向。吸收和二次辐射可至少部分将热量朝向两侧传输。这是当τ小于约0.56时，为什么部分IR透明纺织物比IR不透明纺织物更温暖的原因。
参考图4B，模拟示出裸露皮肤为空调设定点的上限阈值。对于IR透明纺织物，随IR透射率提高，设定点由于额外的辐射冷却而上升。当IR透射率达到约95％时，设定点变为约25.8℃，低于裸露皮肤的设定点约0.8℃。此水平的IR透射率可通过聚烯烃膜实现。对于棉布纺织物完成相同模拟，例外为棉布为IR不透明的并且因此遵循不同辐射热传递方程。这示出，由于缺乏足够的辐射冷却，棉布纺织物的设定点为约22.6℃，这低于约95％透明纺织物约3.2℃。模拟展示辐射冷却可显著促进不可单独通过对流/传导冷却实现的热耗散。
尽管保持增强冷却作用的很大可能，但是期望识别对IR透明但是对可见光不透明的纺织材料。辐射波谱(约7-14μm)与传统纺织材料的IR吸收波长大部分重叠，如C-O伸缩(约7.7-10μm)、C-N伸缩(约8.2-9.8μm)、芳香族C-H弯曲(约7.8-14.5μm)、S＝O伸缩(约9.4-9.8μm)等。图7A示出若干纺织材料的分子结构。如在图7B中所说明，若干纺织材料强吸收人体辐射并且具有低IR透明度。
参考图8，聚烯烃(如聚乙烯(PE))具有脂肪族C-C和C-H键，并且其相对窄吸收峰为约3.4μm、约3.5μm、约6.8μm、约7.3μm和约13.7μm，这均远离人体辐射的峰。然而，典型的PE膜不期望为纺织材料，因为PE为可见透明的并且没有对于纺织物的期望特性，如通气率和水芯吸。
参考图9A，在一些实施方式中，本公开提出nanoPE作为用于人体冷却的期望IR透明纺织物。NanoPE具有大小为约50-1000nm的互连孔。nanoPE提供多个有吸引力的特征：(1)孔径在与可见光的波长(约400-700nm)相当的大小范围内，这可强散射可见光并且使PE对人眼不透明；(2)孔径比IR波长小得多，因此nanoPE膜仍然对IR高度透明；和(3)互连孔提高通气率并且当聚乙烯表面经化学改性为亲水性时可具有水芯吸。
参考图9B，为了确认对双波长范围(可见和IR)的光子效应，严格耦合波分析(RCWA)用于在可见和IR范围内数值模拟平均孔径为约400nm的nanoPE的透射率。示出人体辐射波谱供参考。nanoPE的确示出在IR区中高于约90％总透射率，其中在约2μm处截止。对于可见光区(λ<1μm)，镜面透射率用于更好代表外观。如期望的，nanoPE由于纳米孔的强散射而具有低可见光镜面透射率。
参考图10，此外评估IR透射率的孔径依赖性。当平均孔径从约200nm增大到约4.8μm时，散射诱导的透射率从可见突降移动到近IR，并且然后到中IR。当透射率突降移动到约7-14μm范围内时，PE膜变为对人体辐射较不透明。
参考图9C和图10，基于人体辐射的加权平均IR透射率在约1.2μm的孔径下开始衰减并且在约2.4μm处达到最小。在约4.8μm处，透射率突降朝向远离人体辐射的较长波长移动，因此加权平均透射率稍微提高。模拟结果支持提议的nanoPE益处并且充当实现期望纺织物的准则。
如图9D中所示，nanoPE具有白色外观并且对可见光不透明，与典型的可见透明PE膜不同。
参考图9E，SEM图像示出nanoPE具有大小为约50-1000nm的纳米孔和若干微米宽的一些对齐的纤维类结构。放大SEM图像(图9E，插图)示出满足期望IR透明纺织物的大小规格并且形成流体渗透路径的纳米孔。图9F示出通过配备有漫射金积分球的FTIR光谱仪测量的总IR透射率。纳米孔不显著影响总IR透射率，对于nanoPE和普通PE得到几乎相同透射率。为了评估有效透射率，其基于人体辐射的加权平均透射率对于nanoPE为约96.0％，对于普通PE为约93.8％，并且对于棉布为约1.5％。高透射率指示PE的窄吸收峰对人体辐射几乎没有影响。除IR透射率以外，此外在图9G中比较可见外观。NanoPE和棉布由于可见光散射均呈现白色，而普通PE为可见透明的。为了定量评估其可见外观，首先不透明度规定为阻止辨识在纺织物后的物体的能力，因此它表示为(1-镜面透射率)×100％。使用紫外-可见(UV-Vis)光谱仪，其不透明度在图9H中示出。对于整个可见光谱，nanoPE和棉布均具有高于约99％的不透明度，而普通PE具有约20％不透明度。这些光学测量建立nanoPE对于IR透明和可见不透明纺织物是期望的。
参考图11A，一种装置用于以实验方式展示nanoPE的冷却作用。通过产生基本上恒定功率的加热元件模拟人类皮肤。将热电偶放置到加热元件的表面上，对于热成像具有H形金属图案。然后将纺织物样品放置在热电偶的顶部上，并且通过热电偶测量的温度将基于纺织物样品的隔热特性改变。裸露皮肤和由nanoPE、棉布和聚乙烯材料(可以Tyvek获得)覆盖的皮肤的皮肤温度在图11B中示出。Tyvek为纤维状聚乙烯纺织物，但是其孔和纤维大小为几十微米并且较不期望用于透射人体辐射，在图12中示出。
返回参考图11C，热感相机用于观察在热测量下的IR透明度。对于裸露皮肤，热图像展现由于金属的低发射率的热电偶和H形金属图案。对于nanoPE，热图像大约与裸露皮肤相同，指示nanoPE对于IR辐射透明。另一方面，棉布和Tyvek由于IR辐射的阻挡未示出金属图案并且似乎更冷。
返回参考图11B以及参考图13A，nanoPE具有极好的冷却能力，与裸露皮肤相比，其提高皮肤温度约0.8℃。相比之下，棉布和Tyvek分别使皮肤变热约3.5℃和约2.9℃。为了理解此温度提高的影响，我们必须考虑在剧烈锻炼之后人类皮肤温度提高约3℃，因此皮肤温度改变几摄氏度产生相当大的热不适差别。
参考图13B，在用铜涂布之后(多孔Cu-PE膜)，样品在加热模式中工作并且将皮肤温度提高到约40.4℃。
参考图14，除确保优异冷却作用的高IR透明度和高对流热耗散以外，对于可穿着的纺织物可并入额外材料特性，如芯吸、机械强度和通气率。为了进一步使nanoPE适用于人类布料，进行若干工艺。
首先，微型针刺形成大小为约100μm并且平均间距为约500μm的孔，形成增强通气率的更有效路径。其次，多孔nanoPE经聚多巴胺(PDA)涂布，聚多巴胺(PDA)为有效的亲水性试剂并且对人体温和。最后，将棉布网夹在两层PDA-nanoPE之间并且通过点焊接热粘结以加强机械强度。关于PDA-nanoPE-网的工艺细节可见于图14A。图15示出PDA-nanoPE-网材料的光学图像。
参考图14B，对PDA-nanoPE-网、PDA-nanoPE、nanoPE、Tyvek、棉布和普通PE执行纺织物特性的若干测试。图14B展示水蒸气透过率(WVTR)，其表示通过自然扩散和对流传输来自人类汗液的水蒸气的能力。不论是否微型针刺，所有nanoPE样品都具有高WVTR(约0.016g/cm2·h)。这些结果示出纳米孔自身在自然对流情形下对于水蒸气足够可渗透。棉布和Tyvek具有稍微较低的WVTR(约0.014g/cm2·h)，而普通PE基本上不可渗透。
参考图14C，表征样品的通气率。通气率规定为传输的空气流动速率随所施加的压力而变化的函数，并且它表示纺织物使空气吹入并且然后将身体热量带走的能力。由于微米大小的孔相似于在编织的棉纺织物中的纱之间的间距，所以PDA-nanoPE-网、PDA-nanoPE和棉布的通气率类似，在约40到约60cm3/s·cm2·Pa范围内。相比之下，Tyvek、nanoPE和普通PE示出较低通气率。因为微米大小的孔与人类毛发一样小(约100μm)，所以不显著地影响视觉不透明性。
参考图14D，芯吸速率为纺织物的另一种期望特性。它示出在纺织物中液体水转移如何高效传输。较高芯吸速率意味着汗液可快速扩散和蒸发。棉布由于亲水性纤维素纤维而可具有高芯吸速率。如图14D中所示，棉布纺织物的芯吸速率为约9.7mm。PDA-nanoPE-网由于其PDA涂层和来自其双层结构的毛细管效应，具有约8.3mm的相当芯吸距离。PDA-nanoPE为亲水性的，但是缺乏水平间距约束毛细管效应。Tyvek、nanoPE和普通PE为疏水性的并且因此无测量到的芯吸长度。
参考图14E，测量纺织物的机械强度。借助于棉布网，一条约2cm宽PDA-nanoPE-网可经受约45N的拉力，这与棉布相当。应注意，由于仔细选择PDA厚度、微孔大小和网填充比率，用于改进穿着性的这些工艺对IR透明度、冷却特性和不透明度几乎没有影响，如在图16中所说明。
总之，提议并且展示双功能纺织材料(如nanoPE)，其对人体IR辐射透明并且对可见光不透明。示出对模拟的人类皮肤的突出冷却作用，这可降低室内冷却的能量消耗。提议的双功能纺织物可通过并入多种隔热模式而得到进一步改进，这涉及可自动或通过手动电子控件改变金属覆盖范围的微型发射体。额外实施方式还可集中于最大化通过具有较高/较低发射率涂层调谐的温度的范围。考虑nanoPE的效力和可扩展性，所提议的双功能纺织物可缓解全球能量和环境危机。
用于人体辐射加热和冷却的双模纺织物
维持人体温度为生命的基本活动，这通常消耗大量的能量以保持环境温度恒定。为了扩大环境温度范围同时维持人类热舒适性，通过人体红外辐射控制分别在加热和冷却纺织物中展示个人热管理的概念。在同一纺织物内实现这两种相反的功能将代表相当大的技术进步。此处一些实施方式涉及在不包括能量输入的情况下使用同一块纺织物可执行无源辐射加热和冷却的双模纺织物。双模纺织物由嵌入红外(IR)透明纳米多孔聚乙烯(nanoPE)层的双层发射体构成。它展示发射率和nanoPE厚度的不对称特性可导致两个不同的热传递系数，并且当低发射率层面向外侧时实现加热，而通过内侧向外穿着纺织物在高发射率层面向外侧的情况下实现冷却。这可将热舒适性区域扩大约6.5℃。对于具有大发射率对比的双模纺织物，数据的数字拟合进一步预测约14.7℃的舒适性区域扩大。
吸热起维持人类适当功能的关键作用。它是可通过若干温度调节量度(如代谢率、血液循环、汗液、竖毛(鸡皮疙瘩)、颤抖等)实现的微妙平衡。未能维持核心体温通常导致严重医疗急症。虽然医疗急症在日常生活中不常见，但是热舒适性仍然严重影响健康、生产率和经济性。室内热舒适性大体上通过整个房间或建筑的空气调节实现，但是这花费相当大量的能量。在美国，约12％的总能耗是用于室内温度控制的。在没有空气调节的情况下，服装变为人体温度控制的主要方式。然而，常见服装具有有限的隔热范围，这通常未能与波动气候匹配。大且急剧的昼夜温度变化可导致呼吸感染和心肌疾病。这些问题需要用于人体温度管理的有效方式。具体来说，纺织物类个人热管理具有较大潜力，因为它关注接近人体而不是整个建筑的温度控制。
辐射热管理可为胜过加热或冷却的传统方式的有效方法。通过控制发射率、透射率和反射率，可实现不同热传递控制。对于静止的人体，红外(IR)辐射(波长为约7-14μm)占约40％-60％热损失。对于个人加热，涂布到规则纺织物上的金属纳米线可将IR辐射反射回到人体。冷却纺织物将涉及尽量多的IR辐射远离人体，这使用纳米多孔聚乙烯(nanoPE)展示。NanoPE由于低吸收和几乎没有散射而对中IR透明，同时由于通过纳米孔(直径为约50-1000nm)强散射可见光而对人眼不透明。迄今，相反的用于加热和冷却的IR辐射控制已设定一种类型的纺织物可执行单一热功能的约束。如何设计执行加热和冷却功能两者的单个纺织物仍然是挑战。实际上，这类双模纺织物将帮助人体适应广泛范围的环境温度或生理条件。传统地，这可通过增加/去除服装或连续调节恒温器完成。然而，额外服装不是始终可获得的。频繁改变恒温器效率低下并且浪费能量，并且其通常不能同时满足所有居住者。
这里，一些实施方式展示通过使用嵌入IR透明nanoPE内侧的双层热发射体的用于加热和冷却两者的双模纺织物。此双模纺织物可通过在内侧和外侧之间翻转容易在加热和冷却之间切换模式，这考虑为无源的并且不涉及电布线或外部能量输入。热传递系数的可调谐性可扩大热舒适性区域并且帮助用户适应改变的环境。
为了理解双模纺织物的基本机理，考虑从人类布料朝向周围环境的辐射热通量qrad：
Figure GDA0002486690140000151
其中σ为斯蒂芬－玻尔兹曼常数，εtex为纺织物表面发射率，εamb≈1为周围环境发射率，Ttex为纺织物表面温度，并且Tamb为环境温度。出于冷却或加热目的，期望分别具有高或低qrad。为了实现双模纺织物，因此，εtex和Ttex均应为可控制的。当εtex和Ttex高时，qrad将增大，因此人体热耗散变得更高效，并且纺织物处于冷却模式。相反地，当εtex和Ttex低时，纺织物处于加热模式。传统纺织物为IR不透明的并且发射率为约0.8，这由于材料选择的化学组成的类似性而几乎没有变化，因此其可具有一个热传递系数(图20A)。
在提议的设计中，在各侧上具有不同发射率的双层热发射体嵌入在各侧上还具有不对称厚度的nanoPE纺织物内侧。因为nanoPE为IR透明的，所以nanoPE内侧的发射体可朝向周围环境自由辐射。双层发射体可控制发射率，并且nanoPE厚度控制发射体的温度更靠近或更远离热侧(人类皮肤)。在冷却模式(图20B)中，高发射率层(高εtex)面向外部环境，并且在发射体和皮肤之间的nanoPE的厚度小。此小厚度确保在温热人类皮肤和发射体之间的高效热传导，这提高发射体温度(高Ttex)。面向外侧的高发射率(高εtex)和短发射体到皮肤距离(高Ttex)的此组合将产生高热传递系数，因此纺织物处于冷却模式。如果εtex＝ε皮肤＝0.98并且在人类皮肤和发射体之间的热阻为零(Ttex＝T皮肤)，那么冷却作用将与仅穿着nanoPE冷却纺织物一样强。当翻转纺织物时，低发射率侧面向外(低εtex)，并且发射体到皮肤距离增大，导致较低导热性(低Ttex)，因此纺织物处于加热模式(图20C)。
值得注意的是，在加热或冷却模式下的结构的电磁响应互逆。在加热和冷却模式之间变化的是发射体的不同温度。这类结构都不是光子类热整流器。在此情况下，加热和冷却模式对应于在高温热源(人体)和低温散热器(周围环境)之间的不同结构配置(图24)。双模态是辐射、传导和对流的协同结果。当模式切换时，辐射热传递分量改变，但是空气对流和界面电阻不变。这些热传递分量之中的并联和串联关系将最终出现对于两种模式具有两个不同的有效热传递系数。此外，nanoPE的IR透明度在冷却模式下实现有效辐射冷却同时保持加热模式充分温暖中起重要作用。虽然用IR不透明纺织物代替nanoPE可仍然具有不对称热传递模式，但是其冷却功率和双模态并不如IR透明nanoPE高效。全面分析可见于实例中。
为了实现双模纺织物，应考虑双层发射体的材料选择和制造方法。碳在人体辐射的波长范围中的中红外约28000-87000cm-1范围内具有大吸收系数，这使其为高发射率层的期望候选物。图21A为通过刮浆刀在约12μm厚nanoPE上的约9μm厚碳涂层的图像。涂层为粗糙并且高度多孔的，显现暗和无光泽表面，这对于高发射率以及空气和蒸气透过率为有利的(图21B)。另一方面，低发射率层涉及高反射率，因此金属大体上适合此标准。约150nm的铜沉积到nanoPE上作为低发射率层，其为平滑并且光亮的(图21C)。扫描电子显微镜(SEM)图像示出半保形铜涂层足够薄以使纳米孔打开，因此可维持纺织物的空气和蒸气透过率(图21D)。通过面对面包夹两种发射体，实现在两侧上具有nanoPE的双层发射体结构(图21E)。将额外一块nanoPE添加到碳侧以形成厚度不对称性。nanoPE的最终厚度在碳侧为约24μm并且在铜侧为约12μm。
除形态检查以外，期望测量在中红外的波长范围内的发射率以表征辐射热传递特性。傅里叶变换红外光谱法(FTIR)与漫射金积分球一起使用以探测两侧的发射率(图21F)。测量透射率(τ)和反射率(ρ)以通过ε＝1-τ-ρ计算发射率(ε)。在碳侧，在约2μm到约18μm的波长之间，发射率为约0.8到约1.0。在约33℃下基于人体辐射的加权平均发射率为约0.894。另一方面，铜示出低得多的发射率，其中加权平均值为约0.303。在波长为约3.4、约3.5、约6.8、约7.3、约13.7和约13.9μm处的强吸收峰归因于聚乙烯。这些吸收峰对嵌入的发射体几乎没有影响，因为嵌入的发射体的位置远离峰在约9.5μm处的大部分人体辐射。双模纺织物的最终结构在图21G中概括并且说明。
通过切换模式的隔热改变和发射率影响通过稳态人造皮肤温度测量借助模拟的代谢热量产生和可控制的环境温度在透明丙烯酸树脂室中展示。模拟的代谢热量产生通过电热器提供并且贯穿整个测量基本上保持恒定在约51W/m2，并且室温度通过冷却/加热水再循环器基本上保持恒定在约22.0℃(图26)。双模纺织物的冷却和加热作用首先在图22A中展示。在裸露皮肤条件下，人造皮肤温度为约31.0℃。将一块传统纺织物放置到人造皮肤上将其温度提高到约36.9℃。对于双模纺织物，当碳侧(高发射率)面向外时，它在冷却模式中操作并且引起人造皮肤温度降低到约33.8℃。当将双模纺织物内侧翻转向外并且其中铜(低发射率)面向向外时，它在加热模式中操作并且将人造皮肤温度提高到约40.3℃。此约6.5℃的人造皮肤温度差通过翻转恰好具有相同厚度和质量的同一块双模纺织物形成。出汗加热板方法此外用于测试在额外水分蒸发影响下的双模态(图27)。结果示出，即使包括蒸发热损失，冷却模式仍然具有比加热模式高约10％的总热传递系数。传统纺织物，当考虑蒸发热损失时，变得比加热模式纺织物略温暖。这意味着水蒸气在传统纺织物(在此实验中为运动衫)中并不如在双模纺织物中高效传播，这与水蒸气透过率测量的结果一致(图30)。因此已展示翻转这类纺织物导致彻底不同的隔热特性。此双模态可大大增强人类皮肤对环境的适应性。
在双模纺织物设计中，总热传递系数与双层发射体的发射率紧密相关。通过调节发射体的涂层厚度，可控制其发射率以实现不同程度的热特性变化。在冷却和加热模式下对具有各种发射率组合的四种双模纺织物的人造皮肤温度执行测试，因此存在八种顶层发射率(ε顶)(图22B)。发射率基于人体辐射加权平均。应注意，人造皮肤温度与确定朝向周围环境的辐射热传递的顶层发射率逆相关。另一方面，底层发射率(ε底)对人造皮肤温度几乎没有影响(图29)。这是因为在皮肤和底层之间，通过传导传输的热通量比通过辐射大得多，因此底层发射率对整体热传递系数几乎没有影响。通过双模态形成的温差绘制为对于每个样品在顶层和底层之间的发射率差的函数(图22C)。其示出温度可调谐性主要通过在双模纺织物中两个发射层之间的发射率差控制。此外测试仅具有铜和仅具有碳的样品以确认双模态不依赖于发射率的绝对值而是其差(图29)。
为了数值预测在提议的设计中的最大温度可调谐性，单个组件和界面的热阻与双模纺织物样品的热测量和发射率测量数据拟合。在图24中示出对应的热阻电路。拟合的热阻然后用于构建热传递模型并且推导皮肤温度ε顶和ε底的关系(图22D)。当ε顶>ε底时，双模纺织物在冷却模式中操作，并且当ε顶<ε底时在加热模式中操作，如在图22D中通过点线标记。发射率的上和下阈值分别设定为0.9和0.1。这是为了更好反映以下情况，即nanoPE具有有限的透射率并且多孔发射体可能不实现完美的反射率。当Δε＝约0.8时，出现最大温度改变，即，对于冷却，(ε顶,ε底)＝(0.9,0.1)，对于加热，(ε顶,ε底)＝(0.1,0.9)。计算示出，此最大双模纺织物具有和，这对应于约14.7℃的温度变化。在实践中，这些发射率可通过改进涂布方法中以最大化高发射率层的吸收和低发射率层的反射同时维持孔隙率和透气性实现。nanoPE的红外透射率的进一步增强还可进一步获得双层发射体设计的全部优点。此数字建模指出双模纺织物的调谐范围。为了实现热舒适性，热传递系数对比以及其平均值应最佳地工程化以符合不同情形。
热舒适性区域规定为其中居住者感觉舒适的周围条件的范围。它可为主观的并且可涉及轮询和统计以达成共识。作为概念验证，人造皮肤温度用作热舒适性的指示，并且选择约32℃-36℃为舒适范围。换句话说，可引起人造皮肤温度为约32℃-36℃的环境温度范围设定为热舒适性区域。根据隔热特性，不同样品将具有不同热舒适性区域，如通过稳态热测量装置测量(图23A)。因为温度改变相对小并且热传递系数不随温度变化，所以热舒适性区域随人造皮肤温度线性改变，并且对于裸露皮肤和传统纺织物的情况仅涵盖约4℃。对于双模纺织物，因为它具有两种热传递系数，所以热舒适性区域在约13.9℃到约24.3℃范围内，其为约10.4℃的覆盖范围。进一步实时演示通过双模纺织物的热舒适性区域扩大在图23B中示出，其中传统纺织物作为比较。注意，时间分辨热测量显著地受热惯性影响，因此测量的人造皮肤温度滞后于环境温度改变，并且与在图23A中的稳态值稍微不同。误差条表示三个独立测量值的标准偏差。传统纺织物遵循环境温度变化并且提供在小温度范围中的热舒适性。对于双模纺织物，当环境温度低到人造皮肤温度几乎下降低于约32℃时，双模纺织物切换成加热模式并且引起人造皮肤温度上升。因为环境温度仍然降低，所以人造皮肤温度最终将再次下降直到环境温度在37分钟提高。当环境温度变得太高时，纺织物切换回到冷却模式。因此，双模纺织物可维持人造皮肤温度在约32℃-36℃内同时遇到约9℃的动态环境温度波动。热舒适性区域的此扩大通过翻转纺织物的侧获得，并且不涉及任何额外能量输入，如化石燃料或电，这对于能效改进和大规模制造特别有吸引力。
当设计期望发射率时，此外期望维持作为人类布料的穿着性。若干改性方法可用于改进nanoPE的穿着性，包括对于亲水性的聚多巴胺涂层、对于通气率的微型针刺，和对于机械强度的嵌入棉布网。这些改性可增强nanoPE的通气率、水蒸气透过率、机械强度和芯吸特性。对双模纺织物执行类似穿着性改性，如在实例中所描述。双层发射体的厚度和形态具体工程化，因此双模纺织物的空气和水蒸气透过率仍然与传统纺织物一样高(图30)。此外，微型针刺孔和缝合线仅占总面积的百分之几，并且亲水性聚多巴胺涂层极其薄，因此整体发射率和因此辐射特性可保留(图31)。由于碳涂层内侧的粘结剂和通过nanoPE/发射体/nanoPE夹层结构提供的保护，所以双模纺织物示出针对洗涤循环的良好耐久性(图31)。印刷和染色以及涉及在涂层和纺织物之间的共价或氢键的其它沉积技术也可用于进一步改进耐久性。
在一些实施方式中，用于辐射冷却和加热的双模纺织物的概念基于嵌入IR透明nanoPE中的不对称热发射体，所述IR透明nanoPE可允许发射体在期望温度下辐射中红外辐射。概念为一般的，并且可进行各种材料选择。对于低发射率层，铝和钛均为高度反射、便宜、稳定且无毒的(图32)。对于高发射率层，二氧化硅和氮化硅在约9.5μm下也具有相对高的吸收系数，分别为约26574cm-1和约9362cm-1。此宽范围的选择提供符合穿着性标准和温度范围可调谐性的灵活性。在这类灵活性的情况下，辐射加热/冷却纺织物的概念也可适用于可穿戴电子产品以彼此提供益处。举例来说，可穿戴电子装置可提供热传递模式的较好控制或使用热电或电加热补充辐射加热/冷却，并且辐射加热/冷却纺织物可缓解电子装置对个人热舒适性的负面影响。
实施例
以下实施例描述本公开的一些实施方式的具体方面，以向所属领域普通技术人员说明且提供描述。实施例不应解释为限制本公开，因为实施例仅提供适用于理解和实践本公开的一些实施方式的具体方法。
实施例1
用于辐射人体冷却的多孔聚乙烯纺织物
材料
如下获得纺织物样品：纳米多孔PE(Teklon，约0.5密耳，恩泰克国际有限责任公司(Entek International LLC))、棉布纺织物(单面平针织物棉布，约130克/平方米)、普通PE(ClingWrap，约0.5密耳，Glad产品公司(The Glad Products Company))和Tyvek(约7密耳，杜邦(Dupont))。
样品表征
IR透射率通过附有漫射金积分球(PIKE技术(PIKE Technologies))的FTIR光谱仪(型号6700，赛默科技(Thermo Scientific))测量。可见不透明度通过UV-可见光谱仪(安捷伦(Agilent)，Cary 6000i)测量。SEM图像通过FEI Nova NanoSEM(15kV)拍摄。
可见和IR透射率模拟
在此模拟中，严格耦合波分析(RCWA)方法已经用于模拟nanoPE多层膜的光学特性。可找出PE的折射率。图17示出反映nanoPE结构的无规性质的模拟示意图。nanoPE膜的每一层建模为在图17中描绘的单元的重复。
由于一个单元的大小大，所以在单元之间的干扰效应光谱上远离感兴趣的波长区；因此模拟应如实地重现实际情况。每个单元由一个PE纤维和若干小分支和孔构成。孔和分支的宽度是随机产生的。最终nanoPE膜为一层nanoPE的堆叠，在层之中具有无规偏移。对于所述结构产生多个无规配置，并且对计算结果求平均。结构参数概括在表2中。
表2：RCWA模拟模型的结构参数。(长度单位为μm)
Figure GDA0002486690140000191
热测量
人体可执行温度调节以使核心温度稳定以维持生理功能，所谓的吸热。举例来说，当环境温度高时，人体流汗以经由蒸发冷却；当温度低时，人体颤抖以产生较多热量。然而，以实验方式模拟温度调节或操控环境温度涉及慢并且通常振荡的仔细的比例-积分-微分(PID)控制。代替保持温度恒定，功率被设定成基本上恒定并且测量由通过功率输入、热阻、自然对流热传递系数、表面发射率和环境温度确定的稳态皮肤温度组成。通过连接到电源(Keithley 2400)的玻璃纤维布料加热带(BriskHeat)模拟皮肤。产生的面积功率密度为约140W/m2。连接到温度监测器(Digi-Sense，科尔帕默(Cole-Parmer))的珠-探针热电偶(K型，福禄克(Fluke))用于测量被纺织物和隔热泡沫包夹的皮肤温度。每个温度数据稳定约20分钟以达到稳定状态。环境温度为23.5±0.2℃。加热带覆盖面积为8×8cm2，样品大小为约5×5cm2，并且热电偶珠探针直径为约1mm。热电偶与加热带和样品紧密接触。此配置避免测量受边缘影响，因此系统可近似为一维热量传输。通过校准的热感相机(MikroSHOT，米克朗(Mikron))拍摄热图像。
可穿戴nanoPE改性
通过将多巴胺盐酸盐(约2g/L，西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich))溶解到Tris缓冲溶液(约10mM，约pH 8.5，天惠华(Teknova))中制备聚多巴胺涂布溶液。首先通过微型针阵列(AdminPatch 300，纳米生物科学(NanoBioScience))或30G针(BD PrecisionGlide)将NanoPE穿孔，并且然后浸渍到涂布溶液中约24小时以使表面亲水。通过织造制备开口为约1×1cm2的棉布网。棉布网夹在两层PDA-nanoPE之间并且通过使用电烙铁在接头处粘结。
水蒸气透过率测试
测试程序基于具有修改的ASTM E96。约100mL培养基瓶(飞世尔科技(FisherScientific))填充有约80mL的蒸馏水。瓶使用开顶盖和硅酮垫圈(康宁(Corning))由纺织物样品密封。纺织物的暴露区域直径为约3cm。然后将密封的瓶放置到其中温度保持在约35℃并且相对湿度在30±10％的环境室中。周期性地测量瓶和样品的质量，并且减少的质量应来自蒸发的水。然后减少的质量除以面积以导出水蒸气透过率。
通气率测试
测试程序基于具有修改的ASTM D737。纺织物样品使用凸缘配接器、中心调整O形环和夹具在两个管道之间密封。纺织物的暴露区域直径为约2.3cm。一个管道在短/直支管处连接到T型头，并且然后连接到压缩空气源。另一个管道也在短/直支管处连接到T型头，并且然后连接到露天。换句话说，空气流动直通管道和纺织物。差压表(UEi测试仪器(UEiTest Instruments))连接到长/分支支管以测量在不同空气流动速率下跨纺织物样品的压降。
芯吸测试
测试程序基于具有修改的AATCC TM 197。将纺织物样品切成约2cm宽带并且浸渍到蒸馏水中。水由于毛细管力开始沿样品向上爬升。爬升持续时间为约10秒。
机械测试
通过Instron 5565测量拉伸强度测试。样品大小为约2cm宽和约5cm长，并且隔距距离为约3cm长。移位速率为约20mm/分钟。
实施例2
制造织造NanoPE纺织物
参考图18，将各种分子量的PE溶解于石蜡油中以形成粘稠PE溶液。将溶液填装在针筒内，并且可挤出PE/油纤维以形成纤维。然后将纤维浸入到氯甲烷中以去除石蜡，留下贯穿PE纤维的纳米孔。这产生nanoPE纤维。然后nanoPE纤维被纺成纱并且织造成纺织物。
参考图18和图19，预期织造nanoPE纺织物“感觉”更像普通布料并且具有更强机械特性。与普通PE相比，纳米孔提供空气和水蒸气透过率。在仔细控制孔径和纤维直径的情况下，IR透明度应仍然高。图19示出互连纳米孔的SEM图像。
实施例3
双模纺织物
材料和方法
材料
纳米多孔聚乙烯从恩泰克国际有限责任公司获得(Teklon，约12μm)。传统纺织物为通过60％棉布/40％聚酯制备的运动衫，刷回平针织物，约267克/平方米，和约750μm厚。用于穿着性测试的T恤衫纺织物为单面平针织物100％棉布，约130克/平方米。通过将1份的碳黑(Super C65，英格瓷石墨和碳(Imerys Graphite&Carbon))和1份的聚丙烯腈(PAN，分子量：约150000g/mol，西格玛-奥德里奇)分散在适当量的N,N-二甲基甲酰胺(DMF，>约99.8％，西格玛-奥德里奇)中制备碳浆液。通过将9份的通过修改的
Figure GDA0002486690140000211
方法制备的约0.8μm二氧化硅粉末和1份的聚偏二氟乙烯(PVDF，熔点：约155℃-160℃，阿法埃莎(AlfaAesar))分散在适当量N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP，>约99.0％，西格玛-奥德里奇)中制备二氧化硅浆液。通过将9份的氮化硅粉末(>约99.9％，西格玛-奥德里奇)和1份的PVDF分散在适当量的NMP中制备氮化硅浆液。所有浆料在使用之前剧烈搅拌至少约12小时。
方法
双层发射体制造
通过将含有高发射率材料的浆液刮浆刀涂布到nanoPE上形成高发射率层。对于不同涂层厚度，刮浆刀具有可变隔距。在测试之前，将涂布的膜风干直到溶剂基本上完全蒸发。通过经校准的微米螺纹量规测量厚度。碳为约9μm或约4μm厚，二氧化硅为约199μm厚，并且氮化硅为约61μm厚。在nanoPE上的低发射率层通过各种金属(AJA国际(AJAInternational))的磁控溅镀沉积，其厚度通过溅射功率和时间控制。铜为约150nm或约50nm厚，铝为约150nm厚，并且钛为约270nm厚。
表征
SEM图像通过FEI XL30Sirion(约5kV)拍摄。IR特性通过附有漫射金积分球(PIKE技术)的FTIR光谱仪(型号6700，赛默科技)测量。FTIR用于测量反射率(ρ)和透射率(τ)，并且发射率(ε)基于ε＝1-ρ-τ计算。
热测量
稳态恒定热通量装置用于测量纺织物样品的总热传递系数(图26)。人造皮肤为具有附接在顶表面的中心上的k型热电偶的约9cm×约8cm硅酮橡胶电加热器，被表示为T皮肤。约9cm×约8cm防护加热器放置在具有附接在底表面的中心上的k型热电偶的人造皮肤下方，被表示为T防护，其保持与T皮肤相同，因此在主加热器和防护加热器之间界面可被看作隔热边界。因此，主加热器的热量产生可处理为一个方向热通量，被表示为q。上文陈述的所有电子设备购自欧米茄工程(Omega Engineering)。人造皮肤和测试的样品包封在其中使水循环以控制室空气温度的透明丙烯酸树脂室(TAP塑料(TAP Plastics))中，被表示为Tamb(科尔帕默)。对于除实时舒适性区域测量(图23B)外的所有热测量，Tamb＝22℃并且q＝51W/m2。当将具有不同热传递系数的纺织物放置到人造皮肤上或Tamb改变时，T皮肤将相应地改变。纺织物样品大小为约5cm×约5cm。
出汗加热板热测量
出汗加热板基于普通热测量的基本组件但是其中额外的金属泡沫水容器用于模拟汗液(图27)。实验方法基于具有修改的ASTM F1868。通过玻璃纤维带使金属泡沫隔热，并且防水和蒸气可渗透膜覆盖在金属泡沫的顶部上以防止纺织物样品与水接触。为了使蒸气压基本上恒定，调节热通量以对于所有测量将人造皮肤温度维持为35±0.1℃。控制环境温度和相对湿度。通过水再循环器将环境温度控制在19±0.1℃，并且室足够大以将相对湿度保持在30±5％内。环境温度和相对湿度均通过数字湿度计(飞世尔科技)测量。
可穿戴nanoPE改性
对于双模纺织物的穿着性改性如下。首先通过微型针阵列(AdminPatch 300，纳米生物科学)或30G针(BD PrecisionGlide)将NanoPE穿孔。其次，通过pH诱导的聚合将其用聚多巴胺涂布约24小时。涂布溶液由多巴胺盐酸盐(约2g/L，西格玛-奥德里奇)、Tris-HCl(约10mM，pH为约8.5，天惠华)和约50wt％甲醇/水溶液构成。然后将加工的nanoPE用高/低发射率层涂布并且以与图21G相同的顺序通过缝纫机缝合在一起。缝合线由聚酯制成并且具有网孔大小为约1×约1cm2的网格状图案。
水蒸气透过率测试
测试程序基于具有修改的ASTM E96。约100mL培养基瓶(飞世尔科技)填充有约20mL的蒸馏水。瓶使用开顶盖和硅酮垫圈(康宁)由纺织物样品密封。纺织物的暴露区域直径为约35mm。然后将密封的瓶放置到其中温度保持在约35℃并且相对湿度在30±10％的环境室中。周期性地测量瓶和样品的质量，并且减少的质量应来自蒸发的水。然后减少的质量除以面积以导出水蒸气透过率。
通气率测试
测试程序基于具有修改的ASTM D737。纺织物样品使用凸缘配接器、中心调整O形环和夹具在两个管道之间密封。纺织物的暴露区域直径为约17.3mm。一个管道在短/直支管处连接到T型头，并且然后连接到压缩空气源。另一个管道也在短/直支管处连接到T型头，并且然后连接到露天。换句话说，空气流动直通管道和纺织物。差压表(UEi测试仪器)连接到长/分支支管以测量在不同空气流动速率下跨纺织物样品的压降。
芯吸测试
测试程序基于具有修改的AATCC TM 197。将纺织物样品切成约2cm宽带并且浸渍到蒸馏水中。水由于毛细管力开始沿样品向上爬升。爬升持续时间为约10秒。
机械测试
通过Instron 5565测量拉伸强度测试。样品大小为约25mm宽和约5cm长，并且隔距距离为约4cm长。移位速率为约10mm/分钟。
双模纺织物的热电路分析
图24示出传统纺织物、冷却模式纺织物和加热模式纺织物的对应的热电路。对于传统纺织物，热传递电路同样仍然与纺织物哪一侧面向外无关(图24A)。总热传递电阻为：
Figure GDA0002486690140000231
其中cond、conv和rad分别为传导、对流和辐射的缩写。
对于双模纺织物，传导、对流和空气间隙电阻类似。主要差别为
Figure GDA0002486690140000238
和
Figure GDA0002486690140000239
能够执行直接与皮肤或周围环境的辐射热交换，这将改变总热传递电阻(图24B和图24C)。总热传递电阻为：
Figure GDA0002486690140000232
Figure GDA0002486690140000233
为了分析辐射电阻项，斯蒂芬-波尔兹曼定律用于描述辐射热传递：
Figure GDA0002486690140000234
假设
Figure GDA0002486690140000235
那么方程(22)变为：
Figure GDA0002486690140000236
因为皮肤和周围环境具有接近于1的发射率，所以双层的发射率可设定为ε，并且方程(24)重写为：
Figure GDA0002486690140000237
并且因此辐射电阻为：
Figure GDA0002486690140000241
假设
Figure GDA0002486690140000242
并且将斯蒂芬－玻尔兹曼常数σ＝5.67×10- 8Wm-2K-4插入到方程(26)中得到：
Figure GDA0002486690140000243
其中通过双层发射率确定ε。
为了评估Rrad如何影响整个热电路，与其它分量，即对流和传导进行比较。首先，考虑自然对流。假设人类驱干为约1m高和直径为约30cm的竖直圆柱体，那么自然对流热传递系数为：
Figure GDA0002486690140000244
其中Nu为努塞尔数(Nusselt number)，k为空气的热导率，并且L为圆柱体高度。对于在302K下的空气，热膨胀系数β＝1/302＝3.311×10-3K-1、热导率k空气＝0.026W/mK(air：空气)、动力学粘度ν＝18×10-6m2/s、普朗特数(Prandt number)Pr＝0.72和重力常数g＝9.8m2/s。瑞利数(Rayleigh number)Ra为：
Figure GDA0002486690140000245
并且
Nu＝0.59Ra1/4＝91.52 (30)
并且
Figure GDA0002486690140000246
接下来，纺织物的热阻率ktex为约0.33W/mK。对于约12μm厚nanoPE，传导电阻为：
Figure GDA0002486690140000247
方程(27)、(31)和(32)的比较示出传导电阻比辐射和对流小得多，辐射和对流电阻为类似数量级。假设界面电阻也比辐射和对流电阻小得多，并且高发射率层的发射率接近1，低发射率层具有非常低发射率，那么方程(20)可近似为：
Figure GDA0002486690140000248
并且方程(21)变为：
Figure GDA0002486690140000249
以上结果证明双模纺织物的两种热传递系数为传导、对流和辐射的组合结果。
在IR不透明和IR透明纺织物之间的双模态的比较
除了nanoPE之外，具有不对称发射率的其它材料可在一定程度上具有双模态。然而，IR透明材料(例如nanoPE)可实现有意义的冷却和加热但是IR不透明材料主要在“温暖”和“更温暖”之间切换。这里，证明通过IR不透明层形成的双模纺织物(IR不透明/碳黑/金属)比通过nanoPE实现的设计(IR透明/碳黑/金属)效果差。图34A为四种配置的热传递电路：IR不透明加热/冷却和IR透明加热/冷却。在不损失一般性的情况下，将双层发射体放置在IR透明层的外部上。图34B示出通过将热阻插入到热传递电路中四种配置的计算的温度分布：
T环境＝22℃，ε皮肤＝0.98，ε墙壁＝1，ε高ε＝0.9，ε低ε＝0.1，τIR透明＝1，τIR不透明＝0
Figure GDA0002486690140000251
在冷却模式下，IR透明纺织物比IR不透明纺织物凉爽约2.5℃并且非常接近于裸露皮肤情形。因为裸露皮肤表示皮肤温度的下阈值，所以使用IR透明度在不最大化辐射热传递的情况下实现冷却作用的这类大差别并不是无足轻重的任务。如果空气间隙电阻无限小并且碳层的发射率与人类皮肤一样高，那么冷却功率将非常接近于仅具有nanoPE的情况。这造成在IR透明和IR不透明纺织物之间的基本区别。在加热模式下，IR不透明纺织物比IR透明温暖约0.8℃，因此IR透明纺织物具有明显得多的双模态。实质上，IR透明纺织物可接近裸露皮肤阈值并且在“凉爽”和“温暖”之间切换热传递模式，但是IR不透明纺织物可实现“温暖”和“更温暖”。
为了一般化在IR透明和IR不透明纺织物之间的比较，可进行其总热阻的比较。在大部分情形中，在皮肤和周围环境之间的温差为几十摄氏度，并且可假设辐射热传递系数与发射体温度无关。因此，对于冷却模式：
Figure GDA0002486690140000252
Figure GDA0002486690140000253
Figure GDA0002486690140000254
其中
Figure GDA0002486690140000255
方程(37)示出IR透明纺织物始终比IR不透明纺织物凉爽。
类似地，对于加热模式：
Figure GDA0002486690140000256
这对应于在方程(37)中用R4替代R1。
为了证明IR透明纺织物具有较高双模态，应建立：
Figure GDA0002486690140000261
考虑ΔR冷却的R1微分：
Figure GDA0002486690140000262
这意味着ΔR冷却随R1降低而降低。在大部分情形中，对流的热阻比空气间隙传导的热阻大得多，即R1＞R4。因为ΔR冷却和ΔR加热具有除交换R1和R4以外相同表达，所以这意味着ΔR冷却＞ΔR加热。因此，方程(39)为有效的，并且IR透明纺织物具有比IR不透明纺织物高的双模态。
双模纺织物的数字拟合
为了基于提议的设计预测最大双模态，使用方程(20)和(21)以及裸露皮肤和八种双模测量的热测量和发射率数据，拟合在热电路中的热传递电阻分量(图28)。通过实验输入为T皮肤、Tamb、q、ε顶和ε底，并且通过其它报告的输入为
Figure GDA0002486690140000264
ε环境＝1和σ＝5.67×10- 8Wm-2K-4。当计算人造皮肤温度时，假设Tamb为约22℃。因为当测量发射率时已计算nanoPE的透射率，所以在拟合过程中nanoPE被视为完全IR透明。双层发射体的温度由这些输入表达，并且然后可推导对于辐射电阻的表达。辐射、传导和对流电阻用于计算总热传递电阻，这得到计算的人造皮肤温度。这些计算值使用最小平方线性回归方法与实验值拟合以推导热传递电阻分量(表4)。假设在双层内的接触电阻与在两层nanoPE内的相同，并且从报道的值摘录nanoPE和碳涂层的热导率。
灰色体假设
在此实施例中，灰色体假设应用于纺织物，即εtex(T皮肤)＝αtex(T皮肤,Tamb)。因为在纺织物和周围环境之间的温差(其通常小于约20K)足够小以忽略热辐射的波长分布，所以此假设为有效的。定量地，冷却模式、加热模式和传统纺织物的发射率波谱用于计算作为温度函数的加权平均发射率(图37)。贯发射率穿整个环境温度范围基本上恒定。根据基尔霍夫定律(Kirchhoff's Law)，这些加权平均发射率与在相同温度下加权平均吸收率基本上相同。这意味着对于周围环境(Tamb＝约14℃-40℃)纺织物的吸收率基本上与在皮肤温度(T皮肤＝34℃)下的发射率相同。
表3：双模纺织物的厚度
Figure GDA0002486690140000263
Figure GDA0002486690140000271
表4：热传递分量的数值拟合值
Figure GDA0002486690140000272
表5：通过防护加热板方法测量的双模和传统纺织物的热特性。
Figure GDA0002486690140000273
实施例4
双功能纺织物的隔热特性
参考图38，执行热测量以展示双功能纺织物的隔热特性。这里，已经应用三种不同水平的功率以模拟差别代谢热量产生速率，其表示不同的初始皮肤温度。
在第一阶段，没有纺织物样品，因此热电偶测量裸露模拟皮肤温度。在约21分钟，将冷却模式双功能纺织物放置到模拟的皮肤上，并且观察到一些温度升高。在约41分钟，翻转纺织物样品，因此它开始在加热模式下操作。观察到约2℃的皮肤温差。这证明纺织物样品的双功能。在约65分钟，将纺织物样品翻转回到冷却模式并且观察到温度下降。此热测量为具有两种隔热特性的纺织物的实验演示。
如本文所用，除非上下文另外明确规定，否则单数术语“一(a/an)”和“所述(该，the)”可包括多个指示物。因此，例如，除非上下文另外明确规定，否则提及一个物体可包括多个物体。
如本文所用，术语“基本上”和“约”用于描述和解释小变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指其中事件或情形明确发生的情况以及其中事件或情形极接近于发生的情况。举例来说，当结合数值使用时，所述术语可涵盖小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％。
如本文所用，术语“大小”是指物体的特征性尺寸。因此，例如球形物体的大小可指物体的直径。在非球形物体的情况下，非球形物体的大小可指对应的球形物体的直径，其中对应的球形物体呈现或具有与非球形物体的那些基本上相同的可导出或可测量特性的特定集合。当提及一组物体为具有特定大小时，考虑物体可具有在特定大小周围的大小的分布。因此，如本文所用，一组物体的大小可指大小分布的典型大小，如平均大小、中值大小或峰值大小。
另外，有时在本文中按范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，这类范围格式是出于便利和简洁起见，且应灵活地理解，不仅包括明确地指定为范围限制的数值，而且包括涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值和子范围一般。举例来说，在约1到约200范围内的比率应理解为包括明确叙述的约1和约200界限值，并且还包括如约2、约3和约4的单个比率，和如约10到约50、约20到约100等的子范围。
虽然本公开已参考其具体实施方式进行了描述，但所属领域的技术人员应理解，可在不脱离如所附权利要求书限定的本公开的真实精神和范围的情况下，进行多种改变且替换等效物。此外，可进行许多修改以适应本公开的特定情形、材料、物质组成、方法、操作或多种操作、目的、精神和范围。所有这类修改旨在在所附权利要求书的范围内。具体来说，虽然可能已参考以特定顺序执行的特定操作描述某些方法，但是应理解，这些操作可在不脱离本公开的教导内容的情况下组合、细分或重新排序以形成等效方法。因此，除非本文中具体指示，否则操作的顺序和分组不是本公开的限制。

Claims (15)

1.一种调节人体温度的方法，包含：
提供包括纺织物的服装制品，其中所述纺织物包括至少一个包括多孔聚烯烃的多孔层；和
将所述服装制品与所述人体相邻放置，
其中所述多孔层具有平均孔径在50nm和1000nm范围内的孔，
其中所述多孔层在9.5μm的波长下具有至少40％的红外辐射透射率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多孔层对在400nm到700nm波长范围内的可见辐射的不透明度为至少40％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚烯烃包括聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多孔层为第一层，并且所述纺织物进一步包括与所述第一层相邻并且包括纺织材料的第二层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述纺织材料包括棉布或聚酯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述纺织物经化学处理以变为亲水性的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述纺织物限定孔，并且所述纺织物的孔具有1μm到1mm范围内的平均大小。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述纺织物进一步包括与所述多孔层相邻的第一涂层和与所述第一涂层相邻的第二涂层，并且所述第一涂层对红外辐射的发射率比所述第二涂层大。
9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述服装制品与所述人体相邻放置，使得在冷却模式中，所述第一涂层放置成比所述第二涂层更远离所述人体。
10.根据权利要求8所述的方法，其中将所述服装制品与所述人体相邻放置，使得在加热模式中，所述第二涂层放置成比所述第一涂层更远离所述人体。
11.一种纺织物，包含：
在9.5μm波长下的红外辐射的透射率为至少40％的第一层，其中所述第一层包括多孔聚烯烃；
与所述第一层相邻的第一涂层；和
与所述第一涂层相邻的第二涂层，
其中所述第一涂层和所述第二涂层对红外辐射具有不同发射率，
其中所述第一涂层对红外辐射具有比所述第二涂层更大的发射率。
12.根据权利要求11所述的纺织物，其中所述第一层具有平均孔径在50nm和1000nm范围内的孔。
13.根据权利要求11所述的纺织物，其中所述第一涂层具有在所述9.5μm波长下的红外辐射的第一发射率，所述第二涂层具有在所述9.5μm波长下的红外辐射的第二发射率，并且所述第一发射率和所述第二发射率之间的差为至少0.4。
14.根据权利要求11所述的纺织物，进一步包含在所述9.5μm波长下的红外辐射的透射率为至少40％的第二层，所述第一涂层和所述第二涂层设置在所述第一层和所述第二层之间，并且所述第二涂层与所述第二层相邻。
15.根据权利要求14所述的纺织物，其中所述第一涂层具有在所述9.5μm波长下的红外辐射的第一发射率，所述第二涂层具有在所述9.5μm波长下的红外辐射的第二发射率，所述第一发射率大于所述第二发射率，并且所述第一层的厚度大于所述第二层的厚度。
CN201780011262.XA 2016-02-17 2017-02-17 用于人体冷却和加热的红外透明的多孔聚合物纺织物 Active CN108778012B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662296549P 2016-02-17 2016-02-17
US62/296,549 2016-02-17
PCT/US2017/018420 WO2017143222A1 (en) 2016-02-17 2017-02-17 Infrared-transparent porous polymer textile for human body cooling and heating

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108778012A CN108778012A (zh) 2018-11-09
CN108778012B true CN108778012B (zh) 2021-05-04

Family

ID=59626261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780011262.XA Active CN108778012B (zh) 2016-02-17 2017-02-17 用于人体冷却和加热的红外透明的多孔聚合物纺织物

Country Status (11)

Country Link
US (1) US20190008217A1 (zh)
EP (1) EP3416511B1 (zh)
JP (2) JP6975978B2 (zh)
KR (1) KR20180107245A (zh)
CN (1) CN108778012B (zh)
AU (1) AU2017220089A1 (zh)
BR (1) BR112018014092A2 (zh)
CA (1) CA3010209A1 (zh)
MX (1) MX2018009902A (zh)
SG (1) SG11201805593SA (zh)
WO (1) WO2017143222A1 (zh)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015122964A1 (en) 2014-02-11 2015-08-20 Dexcom, Inc. Packaging system for analyte sensors
EP4299081A3 (en) 2017-06-19 2024-02-28 DexCom, Inc. Applicators for applying transcutaneous analyte sensors
AR113363A1 (es) 2017-10-16 2020-04-22 Columbia Sportswear Na Inc Material reflectante de conducción de calor limitada y método para hacer el material
JP2021512228A (ja) * 2018-02-05 2021-05-13 ザ・ボード・オブ・トラスティーズ・オブ・ザ・リーランド・スタンフォード・ジュニア・ユニバーシティ 受動的放射性屋外個人冷却用のスペクトル選択的織物
CN108669670A (zh) * 2018-05-15 2018-10-19 张建俊 服饰
WO2020018790A1 (en) * 2018-07-18 2020-01-23 President And Fellows Of Harvard College Metal coated structures for use as electrodes for batteries and methods of production thereof
CN109123826B (zh) * 2018-09-15 2020-10-23 子午线（北京）服装有限公司 一种辐射散热降温运动服
WO2020116111A1 (ja) * 2018-12-04 2020-06-11 富士フイルム株式会社 多層構造体
CN110141012A (zh) * 2019-03-28 2019-08-20 广东工业大学 一种分区段智能控温防寒服
US11865810B2 (en) * 2019-05-08 2024-01-09 Lifelabs Design, Inc. Radiative-heating clothing fabric with colors
WO2020262247A1 (ja) 2019-06-27 2020-12-30 富士フイルム株式会社 ポリオレフィン膜、及び放射冷却構造体
CN110596181B (zh) * 2019-09-26 2022-04-05 安徽高梵电子商务有限公司 一种羽绒服保暖性能检测验收方法
CN114746593A (zh) * 2019-11-06 2022-07-12 生命实验室设计公司 辐射冷却织物及其制造方法
JP7350397B2 (ja) * 2020-02-03 2023-09-26 イーイノテック グループ、インコーポレイテッド 建築物の外面に用いる温度調節物品
CN112726030B (zh) * 2020-12-07 2022-08-30 南京工业大学 一种双模纺织物的制备方法
KR102442288B1 (ko) 2021-01-14 2022-09-13 고려대학교 산학협력단 하이브리드 복사 냉각 직물
KR102504359B1 (ko) * 2021-01-18 2023-02-28 연세대학교 산학협력단 복사냉각 방열부를 적용한 유연 열전 소자 및 복사냉각 방열부의 제조 방법
KR102340402B1 (ko) 2021-05-28 2021-12-16 고려대학교 산학협력단 수용성 복사냉각 코팅층을 포함하는 복사 냉각 소자
KR102507825B1 (ko) 2021-09-30 2023-03-07 고려대학교 산학협력단 복사 냉각 직물 및 이의 제조 방법
EP4345515A1 (en) 2022-09-27 2024-04-03 Freshape SA A porous layer that is at least partially transparent to ir light but which has reduced transmittance for visible light

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1213701A (en) * 1982-02-12 1986-11-12 Howard W. Fingerhut Composite insulation material
JPS6335810A (ja) * 1986-07-25 1988-02-16 東レ株式会社 高保温性衣料
US5560974A (en) * 1991-03-22 1996-10-01 Kappler Safety Group, Inc. Breathable non-woven composite barrier fabric and fabrication process
RU2127194C1 (ru) * 1995-04-11 1999-03-10 В.Л. Горе энд Ассоциэйтес, Инк. Материал с покрытием, отражающим инфракрасное излучение
FR2750487B1 (fr) 1996-06-28 2005-10-21 Thomson Csf Revetement pour la protection personnelle d'un fantassin
US5955175A (en) * 1996-09-20 1999-09-21 W. L. Gore & Associates, Inc. Infra-red reflective coverings
DE10240802A1 (de) * 2002-08-30 2004-04-15 W.L. Gore & Associates Gmbh IR reflektierendes Material
JP2014526964A (ja) * 2011-07-26 2014-10-09 ハイドレーション・システムズ，エルエルシー 正浸透膜性能の改良法
CN104755669A (zh) * 2012-10-26 2015-07-01 As株式会社 凉感性纤维布及其制造方法
US10160184B2 (en) * 2013-06-03 2018-12-25 Xefco Pty Ltd Insulated radiant barriers in apparel
WO2015147040A1 (ja) * 2014-03-26 2015-10-01 コスメディ製薬株式会社 角質層に留まるマイクロニードル

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180107245A (ko) 2018-10-01
JP2019512053A (ja) 2019-05-09
MX2018009902A (es) 2018-11-09
CN108778012A (zh) 2018-11-09
CA3010209A1 (en) 2017-08-24
WO2017143222A1 (en) 2017-08-24
EP3416511A1 (en) 2018-12-26
JP6975978B2 (ja) 2021-12-01
EP3416511B1 (en) 2022-03-30
AU2017220089A1 (en) 2018-07-19
EP3416511A4 (en) 2019-08-14
BR112018014092A2 (pt) 2018-12-11
US20190008217A1 (en) 2019-01-10
SG11201805593SA (en) 2018-07-30
JP2022028699A (ja) 2022-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108778012B (zh) 用于人体冷却和加热的红外透明的多孔聚合物纺织物
Hu et al. Emerging materials and strategies for personal thermal management
Zhang et al. A moisture-wicking passive radiative cooling hierarchical metafabric
Liu et al. Thermal, waterproof, breathable, and antibacterial cloth with a nanoporous structure
Lei et al. Recent advances in thermoregulatory clothing: materials, mechanisms, and perspectives
Zhang et al. Personal thermal management by thermally conductive composites: A review
Faruk et al. Functional textiles and composite based wearable thermal devices for Joule heating: progress and perspectives
Tong et al. Infrared-transparent visible-opaque fabrics for wearable personal thermal management
Iqbal et al. Radiative cooling nanofabric for personal thermal management
CN111886374A (zh) 用于被动辐射式室外个人降温的光谱选择性纺织品
Ullah et al. A review of noteworthy/major innovations in wearable clothing for thermal and moisture management from material to fabric structure
US11865810B2 (en) Radiative-heating clothing fabric with colors
Xu et al. Directional sweat transport of monolayered cotton-fabrics fabricated through femtosecond-laser induced hydrophilization for personal moisture and thermal management
Luo et al. Dual-functional reduced graphene oxide decorated nanoporous polytetrafluoroethylene metafabrics for radiative cooling and solar-heating
Li et al. Personal Thermoregulation by Moisture‐Engineered Materials
Hu et al. Janus Membrane Decorated by MXene Multilayered Nanoflakes for Wet–Thermal Management
Hazarika et al. Hierarchically designed 3-D printed porous nylon fabric-based personal thermoregulatory for radiative and directional wick-evaporative cooling
Li et al. Asymmetrical Emissivity and Wettability in Stitching Treble Weave Metafabric for Synchronous Personal Thermal‐Moisture Management
Alsikh et al. Experimental and numerical evaluation of the surface‐localized heating capacity of the photothermal nanocomposite‐incorporated knit fabrics
Xue et al. Personal Thermal Management by Radiative Cooling and Heating
Dong et al. Sweat Transmission Management of 3D Concave-Convex-Lattice Structure Weft Knitted Fabric
Guan et al. Human body-interfacing material strategies for personal thermal and moisture management of wearable systems
Xie et al. Ag Nanoparticles-Coated Shish-Kebab Superstructure Film for Wearable Heater
Chen et al. Multifunctional Hybrid Membranes with Enhanced Heat Dissipation and Sweat Transportation for Wearable Applications
Jamalabadi Parameter study of porosity effects on surface temperature for a porous block under wind, water source and thermal radiation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant