CN111886374A - 用于被动辐射式室外个人降温的光谱选择性纺织品 - Google Patents

Abstract

一种纺织品，其包括：（1）基质；以及（2）分散在所述基质中的颗粒填料。所述纺织品的在9.5μm的波长处的红外辐射的透射率为至少约40％，并且所述纺织品的在0.3μm至2μm的波长范围内的辐射的加权平均反射率为至少约40％。

Description

用于被动辐射式室外个人降温的光谱选择性纺织品

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年2月5日提交的美国临时申请62/626,532号的利益，其全部内容通过引用方式并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在能源部授予的合同DE-AR0000533的政府支持下完成的。在本发明中政府享有一定的权利。

背景技术

室外热应激对公共健康构成了严重威胁，并限制了工业劳动力供应和生产力，从而对社会的健康和经济产生不利影响。然而，缺乏一种可以提供局部的室外人体降温而不受湿度和风等级约束的有效且经济的方法。

在此背景下，需要开发本公开的实施方案。

概述

在一些实施方案中，纺织品（textile）包括：（1）基质；以及（2）分散在基质中的颗粒填料。纺织品的在9.5 μm的波长处的红外辐射的透射率（transmittance）为至少约40％，并且纺织品的在0.3 μm至2 μm的波长范围内的辐射的加权平均反射率为至少约40％。

在纺织品的一些实施方案中，基质包括至少一种聚烯烃。

在纺织品的一些实施方案中，基质包括聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。

在纺织品的一些实施方案中，颗粒填料的峰值颗粒尺寸在约10 nm至约4000 nm的范围内。

在纺织品的一些实施方案中，颗粒填料包括无机材料。

在纺织品的一些实施方案中，颗粒填料包括金属氧化物、金属卤化物或金属硫化物中的至少一种。

在纺织品的一些实施方案中，颗粒填料包括氧化锌、溴化钾、碘化铯、氯化钾、氯化钠或硫化锌中的至少一种。

在纺织品的一些实施方案中，相对于基质的折射率，颗粒填料与基质之间折射率的差异为至少约±5％。

在纺织品的一些实施方案中，在9.5 μm的波长处红外辐射的透射率为至少约60％。

在纺织品的一些实施方案中，在0.3 μm至2 μm的波长范围内的辐射的加权平均反射率为至少约60％。

在纺织品的一些实施方案中，基质是多孔的。

在纺织品的一些实施方案中，基质内的孔的体积百分比为至少约5％。

在纺织品的一些实施方案中，基质内的孔的峰值孔尺寸在约10 nm至约4000 nm的范围内。

在纺织品的一些实施方案中，纺织品包括纤维，该纤维包括基质和分散在基质内的颗粒填料。

在纺织品的一些实施方案中，纺织品包括薄膜，该薄膜包括基质和分散在基质内的颗粒填料。

在另外的实施方案中，纺织品包括：（1）基质；（2）分散在基质中的颗粒填料。纺织品的在9.5 μm的波长处的红外辐射的透射率为至少约40％，并且纺织品在对应于特定颜色的可见范围内的波长处具有反射率的峰值。

在纺织品的一些实施方案中，颗粒状填料包括准金属（metalloid）、金属氧化物或金属氰化物中的至少一种。

在另外的实施方案中，一种调节人体温度的方法，其包括将前述实施方案中任一个的纺织品放置在人体附近。

在进一步的实施方案中，形成多孔纺织品的方法包括：（1）形成溶剂、至少一种聚合物和颗粒填料的混合物，其中所述颗粒填料包括无机材料，所述无机材料的在9.5 μm的波长处的红外辐射的透射率为至少约40％，并且所述颗粒填料的峰值颗粒尺寸在10 nm至4000 nm的范围内；（2）挤出混合物以形成包括溶剂和分散在纺织品内的颗粒填料的纺织品；以及（3）从纺织品中提取溶剂以形成多孔纺织品。

在方法的一些实施方案中，至少一种聚合物包括聚烯烃。

在方法的一些实施方案中，颗粒填料包括氧化锌、溴化钾、碘化铯、氯化钾、氯化钠或硫化锌中的至少一种。

还可以预期本公开的其他方面和实施方案。前述概述和以下详细描述并不旨在将本公开限制于任何特定实施方案，而仅旨在描述本公开的一些实施方案。

附图说明

为了更好地理解本公开的一些实施方案的性质和目的，应当参考结合附图进行的以下详细描述。

图1（a）。一些实施方案的多孔薄膜的示意图。

图1（b）。一些实施方案的无孔薄膜的示意图。

图2。一些实施方案的（a）编织的纺织品、（b）多孔聚合物纤维和（c）无孔聚合物纤维的示意图。

图3。（a）说明在室外环境中日光下人体的热输入和输出路径的示意图。（b）嵌入有氧化锌（ZnO）纳米颗粒的纳米多孔聚乙烯（PE）纺织品的示意图，该纺织品设计用于通过反射日光并透射人体热辐射来进行辐射性室外降温。（c）在皮肤温度大约为34℃时使用普朗克定律模拟的AM 1.5G太阳光辐射和人体热辐射的光谱比较，显示它们在波长范围内有边际（marginal）重叠。

图4。（a）在聚乙烯介质中，波长范围为0.4–16 µm、颗粒直径从0.01至10 µm变化的单个ZnO颗粒的标准化散射截面模拟。（b）在聚乙烯介质中，具有320 nm的相同直径的ZnO颗粒和气孔之间的标准化散射截面的比较。嵌入纳米多孔聚乙烯的多个ZnO颗粒的（c）太阳光反射和（d）中红外透射对ZnO颗粒的尺寸和密度的依赖性。对于（c）和（d）中的每个数据点，散射截面以颗粒尺寸的正态分布进行平均，方差为±0.1 µm。太阳光反射在0.4至4 µm的太阳光辐照度光谱范围内平均。中红外透射在4至16 µm的人体热辐射波长范围内平均。（e）在密度与尺寸平面上投影（c）和（d）中的三维图。白色部分呈现了ZnO颗粒的最佳密度和尺寸，在其中可以实现高太阳光反射和高中红外透射。

图5。（a）日光下ZnO-PE纺织品的图像。（b）ZnO-PE样品的X射线计算机断层扫描图像的侧视图和顶视图，显示ZnO颗粒大体上均匀分布。插图是使用动态光散射测量的ZnO颗粒直径的分布图，其在约500 nm处达到峰值。（c）通过熔融挤出（melt-extrusion）制成的一卷ZnO-PE纤维的图像。扫描电子显微镜（SEM）图像显示ZnO-PE薄膜样品的（d）上表面和（e）截面。（f）高放大率SEM图像显示单个ZnO颗粒的形态。（g）通过积分球（integratingspheres）测量的ZnO-PE在紫外至中红外范围（约0.3至约16 μm）的反射率和透射率光谱。阴影区域显示AM 1.5G太阳光光谱（左）和人体辐射光谱（右）用于参考。

图6。（a）在室外测试环境中热测量装置的图像。（b）热测量装置的示意图，该热测量装置包括模拟皮肤的加热器、测量模拟皮肤温度的热电偶和覆盖模拟皮肤的纺织品样品。（c）在一个晴朗的春日里，在加利福尼亚州斯坦福市，在约四个小时的时间里，比较在风对流下用ZnO-PE覆盖、棉覆盖和裸露的模拟皮肤加热器测量的温度。测量环境温度和太阳光辐照度并作图以供参考。（d）根据（c）中的测量结果，计算出用ZnO-PE覆盖、棉覆盖和裸露的模拟皮肤加热器维持正常皮肤温度约34℃的额外降温功率需求。（e）比较在风对流和汗水蒸发下用ZnO-PE覆盖、棉覆盖和裸露的模拟皮肤加热器测量的温度。（f）比较ZnO-PE覆盖、棉覆盖和裸露的模拟皮肤加热器在（d）中在13:00的降温功率需求和汗水蒸发提供的降温功率，降温功率估计为通过纺织品的水蒸发速率（图12）与水的蒸发热的乘积。

图7。人体皮肤的紫外-可见-近红外（UV-VIS-NIR）反射率和傅立叶变换红外（Fourier transform infrared，FTIR）发射率。

图8。棉的UV-VIS-NIR反射率和FTIR透射率。

图9。ZnO-PE从紫外到中红外范围（0.3-16 μm）的测量（实线）和模拟（虚线）反射率和透射率光谱的比较。假定以下参数用于模拟以与实验值紧密匹配：平均空气孔直径为200nm，孔隙度为20％，ZnO：PE质量比为2：5，ZnO颗粒直径的正态分布为d = 0.5 μm ± 0.1 μm，薄膜厚度为150 μm。阴影区域显示AM 1.5G太阳光光谱（左）和人体辐射光谱（右）供参考。

图10。测量在阳光和阴影下没有被纺织品覆盖的模拟皮肤加热器的皮肤温度。

图11。穿着衣服的人体在日光下的热传递模型的示意图。

图12。比较从热传递模型分析计算得出的皮肤温度与棉和ZnO-PE覆盖的皮肤的测量值。

图13。ZnO-PE覆盖的皮肤、棉覆盖的皮肤和裸露的皮肤的水蒸发速率。

图14。ZnO-PE层厚度对（a）太阳光反射和（b）中红外透射的影响。随着纳米复合材料层厚度的增加，观察到一个折衷方案，其中约80 μm至约160 μm的厚度对于同时高太阳光反射和中红外透射是最佳的。

图15。用洗涤剂洗涤ZnO-PE纺织品材料并搅拌约30分钟之前和之后，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测量以量化水中的Zn²⁺浓度。结果表明，在洗涤过程中，痕量的ZnO（约2十亿分之一（ppb））被释放到了水中。由于PE在ZnO颗粒上的紧密包裹，证明了嵌入式结构的良好耐用性。

图16。溶解在氯仿-d中的纺织品样品的¹H核磁共振（NMR）光谱（上图），以检测样品中残留的二氯甲烷。底部曲线来自氯仿-d（用于¹H NMR测量的溶剂）作为空白对照。在约7.26 ppm处的峰值对应于氯仿-d。在约1.56 ppm处的水峰值是由于从大气中吸收了微量的水分。二氯甲烷的峰值位置应在约5.3 ppm处，这在样品曲线中不存在。这些测量结果证实，二氯甲烷非常易挥发，可以通过蒸发大体上完全去除。在空气中干燥约2小时后，没有从纺织品样品中检测到残留的二氯甲烷。

图17。黑色是通过在聚乙烯中添加微米级的硅颗粒来实现的，其在约4至约18 µm的波长范围内也显示出高的红外透明度。（a）示出了黑色的Si-PE复合薄膜。（b）与其他有色的聚乙烯纤维一起示出的黑色Si-PE纤维。（c）Si-PE复合薄膜的红外透射光谱。

图18。（a）辐射式降温纺织品着色的设计示意图，该设计是通过将IR透明的无机颜料纳米颗粒与PE混合而成的。然后可以将混合的复合物挤出为连续纤维，以通过大规模的工业过程编织成交织的纺织品。所选无机颜料粉末的（b）照片和（c）FTIR吸收光谱。（d）普鲁士蓝（PB）、（e）氧化铁（Fe₂O₃）和（f）硅（Si）的纳米颗粒的SEM图像。

图19。颜料纳米颗粒混合的聚乙烯复合薄膜的（a）照片、（b）UV-VIS反射率、（c）FTIR透射率、以及（d）可见不透明度光谱。

图20。（a）通过工业挤出生产的三个有色的聚乙烯纤维线轴的照片。（b）抗张强度（tensile strength）试验表明，有色的聚乙烯纤维具有与棉相当的抗张强度。（c）蓝色PB-PE、（d）红色Fe₂O₃-PE和（e）黄色Si-PE的挤出纤维的光学显微照片。（f–h）光学显微照片示出了编织图案，（i–k）具有良好耐磨性的编织纺织品的照片。

图21。（a）测量有色聚乙烯纺织品的总FTIR透射率。（b）示出了洗涤有色聚乙烯纺织品后水中各金属离子可忽略不计的（ppb水平）浓度增加的图。（c）比较裸露的和纺织品覆盖的皮肤模拟加热器测量的温度。纺织品样品包括棉、PB-PE、Fe₂O₃-PE、Si-PE和纳米多孔聚乙烯（nanoPE）。（d）裸露皮肤和用棉、PB-PE、Fe₂O₃-PE和Si-PE纺织品覆盖的人皮肤的红外图像。

描述

本公开的实施方案针对光谱选择性（spectrally selective）纺织品。在一些实施方案中，为户外穿戴者提供了一种太阳光反射的、红外（IR）透明的、嵌入有颗粒的聚合物纺织品，该纺织品在室外环境中在直射日光下获得了降温性能以维持热舒适性。

人体与室外环境之间的热交换涉及传导、对流、蒸发和辐射。因此，维持室外热舒适性涉及通过减少热量获取并增加热量损失来减少热应激。其他方法主要集中于服装的蒸发和对流热损失以实现室外降温，但是这两种散热路径都有其自身的约束，这些约束在很大程度上取决于湿度和风等级等环境条件。尽管太阳光辐照度和热辐射路径对整体热交换有很大贡献，但它们尚未充分被考虑用于室外纺织品。与普通纺织品不同，IR透明的纺织品反射高百分比的日光，而被人体吸收的IR的吸收率低，从而在无额外能量消耗的情况下同时减少辐射热传递的输入并提高辐射热传递的输出，使得穿戴者在室外环境中感觉更凉爽。另外，聚合物复合材料可以通过挤出形成纤维，并且可以由纤维通过编织形成编织的纺织品，从而提供作为接近皮肤纺织品的舒适性和透气性。因此，该纺织品适合大规模生产。同样地，本公开的实施方案提供了用于室外个人降温的太阳光反射的、IR透明的纺织品，其维持了接近皮肤纺织品的舒适性并且也可以大规模地实现。

一些实施方案的IR透明的纺织品具有由人体发射的IR辐射的低吸收，因此该IR辐射可以被自由地传输到环境中并且导致穿戴者感到更凉爽。同时，纺织品设置有分散在纺织品内的颗粒填料，该颗粒填料用于散射太阳光辐照度光谱，从而在直射日光下提供降温效果。另外，纺织品可以是多孔的，并且纺织品中的孔可以使纺织品透气并且通过传导和对流增加散热。纺织品可以形成为嵌入有颗粒填料的多孔薄膜，或者可以形成为基于纤维的编织结构。可以通过例如挤出和溶剂提取的方法大规模地形成具有孔并且嵌入有颗粒填料的聚合物纤维，并且可以通过例如编织的方法大规模地由此类纤维形成编织纺织品。

一些实施方案的纺织品包括单一聚合物或两种或更多种不同聚合物的混合物。在一些实施方案中，为了赋予IR透明度，可以使用具有低IR辐射吸收的聚合物或聚合物的混合物，例如在约4 μm至约20 μm或约4 μm至约16 μm的中IR范围内低辐射吸收。在这样的实施方案中，合适的聚合物包括聚烯烃，例如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、以及其他热塑性聚烯烃或聚烯烃弹性体。对于PE，合适的分子量范围可以是低密度PE（LDPE）、高密度PE（HDPE）和超高分子量PE（UHMWPE）。PE可以与其他聚合物混合或被其他聚合物至少部分替代，所述其他聚合物例如是PP、聚氯乙烯（PVC）、维尼纶（vinylon）、聚丙烯腈（PAN）、聚酰胺（例如尼龙）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酯、聚氟乙烯（PVF）、共聚物、其他热塑性聚合物、天然聚合物等。代替聚烯烃或与其组合的可以被使用的其他聚合物具有低IR辐射吸收，例如基本上不含一个或多个以下官能团的聚合物：C-O、C‒N、芳香族C‒H、以及S=O，以及例如一个或多个这些官能团的含量不大于约1 mmol/g、不大于约0.1 mmole/g、不大于约0.01 mmole/g、不大于约0.001 mmole/g、或者不大于约0.0001 mmole/g的聚合物。在一些实施方案中，合适的聚合物的在9.5 μm的波长处的IR辐射的透射率为至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、或至少约80％、以及高达约90％、高达约95％、高达约98％、或以上。在一些实施方案中，合适的聚合物的在7-14 μm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％、以及高达约90％、高达约95％、或以上。在纺织品形成过程中，可以包括一种或多种添加剂，例如抗氧化剂、抗微生物剂、着色剂或染料、吸水剂（例如棉）、金属、木材、丝绸、羊毛等。可以将一种或多种添加剂分散在被包含在纺织品中的聚合物或聚合物的混合物中。

一些实施方案的纺织品还包括分散在聚合物或聚合物的混合物中的颗粒填料。颗粒填料提供了相对于纺织品中包含的聚合物或聚合物混合物的折射率的对比，以选择性地散射所需光谱中的光，尤其是强烈散射所需光谱中的光，但在中IR范围内散射很小。在一些实施方案中，颗粒填料具有一定尺寸并具有材料成分，以选择性地散射在约300 nm至约4 μm范围内的太阳光辐照度光谱中的光，包括约400 nm至约700 nm可见光范围内的辐射和700nm至约4 μm的近IR范围内的辐射，从而在直射日光下提供降温效果。在其他实施方案中，颗粒填料具有一定尺寸并具有材料成分，以选择性地散射可见范围内的某些波长或颜色，从而提供着色效果。例如，颗粒填料（以及包括这种填料的纺织品）可以在对应于特定颜色的可见范围内的特定波长处（例如，约450 nm）具有反射率的峰值，从而产生该特定颜色（例如，蓝色）的视觉呈现，或者可以在对应于另一特定颜色的可见范围内的另一特定波长处（例如，约600 nm）具有反射率的峰值，从而产生该另一特定颜色（例如，黄色）的视觉呈现，或者可以在对应于另一特定颜色的可见范围内的另一特定波长处（例如，约750 nm）具有反射率的峰值，从而产生该另一特定颜色（例如，红色）的视觉呈现，等等。

在一些实施方案中，相对于纺织品中包括的聚合物或聚合物的混合物的折射率（例如，对于在589 nm处测量的可见光），颗粒填料与聚合物或聚合物的混合物之间的折射率的相对差异为至少约±1%，例如，至少约±5％、至少约±8％、至少约±10％、至少约±15％、至少约±20％、至少约±25％、至少约±30％、至少约±35％、至少约±40％、至少约±45％或至少约±50％。在一些实施方案中，相对于纺织品中包括的聚合物或聚合物的混合物的折射率（例如，对于在589 nm处测量的可见光），颗粒填料与聚合物或聚合物的混合物之间的折射率的绝对差异为至少约±0.01，例如，例如至少约±0.05、至少约±0.1、至少约±0.15、至少约±0.2、至少约±0.25、至少约±0.3、至少约±0.35、至少约±0.4、至少约±0.45、至少约±0.5或至少约±0.55。颗粒填料的折射率可以高于或低于纺织品中包括的聚合物或聚合物的混合物的折射率。

填料的合适材料的实施例包括对约300 nm至约20 μm的范围的辐射（包括可见光范围内的辐射、近IR范围内的辐射以及中IR范围内的辐射）具有低吸收的的无机材料，例如，准金属（例如硅）、金属氧化物（例如氧化锌和氧化铁）、金属卤化物（例如溴化钾、碘化铯、氯化钾和氯化钠）、金属硫化物（例如硫化锌）、金属氰化物（例如普鲁士蓝）等等。在一些实施方案中，填料的合适材料的在9.5 μm的波长处的IR辐射的透射率为至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、或至少约80％、并且高达约90％、高达约95％、高达约98％、或者以上。在一些实施方案中，填料的合适材料的在7-14 μm的波长下的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％、并且高达约90％、高达约95％、或者以上。填料的尺寸被设置成主要散射可见光范围和近IR范围内的辐射而不是中IR范围内的辐射。例如，填料可以是纳米尺寸的（例如，作为纳米颗粒），从而与可见光的波长是可比的并且低于中IR辐射的波长。在一些实施方案中，填料的平均或峰值颗粒尺寸在约10 nm至约4000 nm、约1000 nm至约4000 nm、约100 nm至约1000 nm、约100 nm至约900 nm、约100 nm至约800 nm、约100 nm至约700 nm、约100 nm至约600 nm、约100至约500 nm、约100 nm至约400 nm、约100 nm至约300 nm、约500 nm和约1000 nm、约200 nm和约900 nm、约300 nm和约800 nm、约400 nm和约700 nm、或约400 nm和约600 nm的范围内，但是也可以考虑更大或更小的填料。在一些实施方案中，可以控制颗粒尺寸的分布以赋予散射辐射的期望波长。例如，填料的尺寸可以相对均匀，例如其中颗粒尺寸的标准偏差不大于平均颗粒尺寸的约50％、不大于约45％、不大于约40％、不大于约35％、不大于约30％、不大于约25％或不大于约20％。在一些实施方案中，纺织品内的填料的数密度为至少约0.1 μm^-3、至少约0.5 μm^-3、至少约1 μm^-3、至少约2 μm^-3、至少约4µm^-3、或至少约6 µm^-3、以及高达约8 µm^-3或更大。填料可以是规则的或不规则的形状，并且可以具有约3或更小或大于约3的纵横比。

一些实施方案的纺织品是多孔的。纺织品的孔的尺寸可以被设置来与填料一起有助于选择性散射期望光谱中的光。例如，孔可以是纳米尺寸的（例如，作为纳米孔），从而与可见光的波长是可比的并且低于中IR辐射的波长。在一些实施方案中，孔的平均或峰值孔尺寸在约10 nm至约4000 nm、约1000 nm至约4000 nm、约100 nm至约1000 nm、约100 nm至约900 nm、约100 nm至约800 nm、约100 nm至约700 nm、约100 nm至约600 nm、约100至约500 nm、约100 nm至约400 nm、约100 nm至约300 nm、约500 nm和约1000 nm、约200 nm和约900 nm、约300 nm和约800 nm、约400 nm和约700 nm、或约400 nm和约600 nm的范围内，但是也可以考虑更大或更小的孔。在一些实施方案中，可以控制孔尺寸的分布以赋予散射辐射的期望波长。例如，孔的尺寸可以相对均匀，例如其中孔尺寸的标准偏差不大于平均孔尺寸的约50％、不大于约45％、不大于约40％、不大于约35％、不大于约30％、不大于约25％或不大于约20％。孔尺寸可以使用例如Barret-Joyner-Halenda模型确定。在一些实施方案中，纺织品内的孔的体积百分比为至少约1％、至少约5％、至少约10％、至少约15％、或至少约20％、以及高达约30％或更多。在一些实施方案中，至少一些孔可以相互连接以增加透气性并增加通过相互连接的孔的传导和对流散热。孔可以是规则的或不规则的形状，并且可以具有约3或更小或大于约3的纵横比。

一些实施方案的纺织品可以形成为多孔薄膜100，其包括具有孔104的聚合物或聚合物的混合物的基质102和嵌入的颗粒填料106（参见图1（a）），或者可以形成无孔薄膜110，其包括聚合物或聚合物的混合物的基质112和嵌入的颗粒填料116（参见图1（b））。另外的实施方案的纺织品可以形成为基于纤维的编织纺织品200（参见图2（a））。在编织纺织品200的情况下，包括在纺织品200中的多孔聚合物纤维202包括具有孔206的细长构件204，以及分散在该细长构件204内的颗粒填料208。替代地或结合地，包括在纺织品200中的无孔聚合物纤维212包括没有孔的细长构件214，以及分散在该细长构件214内的颗粒填料218。通常，聚合物纤维可以具有圆形截面形状，以及各种其他规则的或不规则的截面形状，例如多叶片的、八边形的、椭圆形的、五边形的、矩形的、方形的、梯形的、三角形的、楔形的等等。可以对纤维的表面进行化学或物理修饰以赋予其他的性质，例如亲水性、抗微生物性能、着色、纹理等等。例如，可以在纤维的表面上施加涂层以赋予亲水性，例如亲水剂的涂层。在一些实施方案中，聚合物纤维包括多个（例如，两个或更多个）细长构件，该细长构件被连接或以其他方式组合以形成纤维的整体。细长构件中的至少一个包括分散在其中的颗粒填料，并且细长构件可以包括相同的聚合物（或相同的聚合物混合物）或不同的聚合物（或不同的聚合物混合物）。细长构件可以被布置成多种构型。例如，细长构件可以被布置为芯鞘型（core-sheath）构型、海岛型（island-in-sea）构型、矩阵或棋盘构型、分段饼型（segmented-pie）构型、并排式（side-by-side）构型、条纹（striped）构型、等等。聚合物纤维的其他实施方案可以实现为具有中空结构（hollow structure）、块结构（block structure）、接枝结构（grafted structure）等。

在一些实施方案中，通过挤出和溶剂提取的方法形成纺织品。特别地，可以将聚合物或聚合物的混合物与颗粒填料在例如石蜡油的溶剂中结合以形成混合物。可以选择混合物中溶剂的体积百分比，以在溶剂提取后在所得纺织品中获得所需体积百分比的孔，例如至少约1％、至少约5％、至少约10％、至少约15％或至少约20％、以及直到约30％或更多。代替石蜡油或与石蜡油组合，可以使用其他合适的液体溶剂或固体，例如固体蜡、矿物油等。而且，混合物中可以包括一种或多种添加剂，例如吸水剂、着色剂等。然后混合物可以通过挤出装置挤出以形成包括分散在其中的溶剂的薄膜或聚合物纤维，并提取溶剂以留下纳米孔。溶剂的提取可以通过浸入提取剂（例如二氯甲烷）的化学浴中来进行，但是可以考虑其他提取方式，例如蒸发。一旦形成，则一些实施方案的聚合物纤维可以经历各种过程来形成作为单独的纤维或作为包括在多纤维纱线中的编织的纺织品。实施例包括编织、针织、毡合、编制、编结等。在一些实施方案中，将包含不同颗粒填料以产生不同颜色的聚合物纤维以特定比例组合或混合以形成具有所需颜色的编织纺织品。

一些实施方案的纺织品可以表现出多种益处。在一些实施方案中，纺织品的在9.5μm的波长处的IR辐射的透射率为至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、或至少约80％、以及高达约90％、高达约95％、高达约98％、或以上。在一些实施方案中，纺织品的在7-14 μm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％、以及高达约90％、高达约95％、或以上。在一些实施方案中，纺织品的在0.3-2 μm的波长范围内的辐射的加权平均反射率为至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、或至少约80％、以及高达约90％、高达约95％、高达约98％、或以上。

一些实施方案的纺织品可以作为单层布中的单层或多层布的多层（例如，两层或更多层）并入到布中。在多层布的情况下，纺织品可以被层压或以其他方式与一个或多个另外的层组合，例如一个或多个其他纺织品材料（例如，棉或聚酯）的层。所得的布可以被用于各种服装制品（例如服装和鞋类）、以及其他产品（例如医疗产品）。

实施例

以下实施例描述了本公开的一些实施方案的特定方面，来为本领域的普通技术人员进行说明并提供描述。所述实施例不应被解释为限制本公开，因为所述实施例仅提供可用于理解和实践本公开的一些实施方案的特定方法。

实施例1

用于被动辐射式室外个人降温的使用无机-有机基质的光谱选择性纺织品

概述：

在此，此实施例展示了使用无机-有机复合基质的辐射式户外降温纺织品。通过反射超过约90％的太阳光辐照度并选择性地传输出人体热辐射，这种纺织品可以使模拟皮肤加热器的产热率（约104 W/m²）与人体的相当，从而避免了在日照峰值条件下与普通纺织品（如棉花）相比过热约5至13℃。由于其出色的被动降温能力以及与大规模生产的兼容性，这种辐射式户外降温纺织品有望在许多方面广泛地使社会受益。

结果与讨论：

户外空间是日常生活中不可避免的一部分，其可容纳各种必不可少的体育活动。例如，人们早已认识到户外休闲活动对于维持个人的身体健康和心理健康至关重要。此外，许多对社会经济有重大贡献的职业涉及大量的户外劳动，例如农业、园林绿化、采矿、建筑、运输等。但是，进行户外活动时经常遇到的一种风险是暴露于过度的热应激之下。当人体无法有效消除热应激时，就会发生过高热，并导致危及生命的中暑、热衰竭和热性痉挛的临床综合征。据报道，热应激是美国自然灾害致死的主要原因。热导致的生理和心理影响还导致工业劳动生产率和供应减少，这最终影响了整体经济和社会福利，特别是在发展中国家中。在全球变暖的背景下，室外热应激对日常生活以及职业、体育和军事部门的健康和经济威胁将变得更加强烈和频繁。最近的分析估计，到2030年，由热引起的问题的年成本将达到约2.4万亿美元。

因此，在许多方面都需要室外降温，但是由于其开放性，仍然是一个很大的挑战。与可轻易实施空调的室内空间不同，使用能源密集型的供暖、通风和空调（HVAC）系统给室外环境中的巨大开放空间降温是不切实际且不经济的。在这种情况下，理想的解决方案是通过服装给人体局部降温。目前，用于户外服装的降温技术涉及吸湿排汗，其通过将汗水从皮肤拉到织物外表面来促进新陈代谢热的去除，因此，汗水比被困在皮肤和织物之间时更容易蒸发到空气中。但是，该技术依赖于出汗，这涉及脱水的潜在风险，可能导致身心恶化甚至死亡。此外，当周围空气的湿度足够高来抑制汗液蒸发时，其作用会受到严重限制。用于使服装降温的其他技术包括结合相变材料以及冷空气或液体的循环。然而，这些技术具有一些缺点，阻碍了它们在市场上的广泛采用，例如由于包含笨重的包装或管而导致活动性降低和不适感，以及由于随时间推移或电力消耗而进行补充而导致的高成本。

辐射式降温纺织品被认为是一种有吸引力的策略，因为它利用了人体固有的发射热辐射的能力，而不会包含任何能量输入。对于室内环境，已证明红外（IR）透明纺织品可以被动地提供大量的个人降温。然而，由于来自太阳光辐照度的大量外部热（约1000 W/m²）和明显的体内产热（约100 W/m²），直射日光下的户外辐射式降温纺织品会面临更大的挑战。

在此，此实施例展示了户外辐射式降温纺织品的改进概念，该纺织品具有超过约90％的太阳光辐照度反射率和对人体热辐射的高透过率。通过将氧化锌（ZnO）纳米颗粒嵌入纳米多孔聚乙烯（ZnO-PE）中，材料性能和结构光子工程的结合被用于开发具有选择性光谱响应的纺织品。实验证明，ZnO-PE可以使模拟皮肤加热器的产热率与人体皮肤相当，约为104 W/m²，从而避免过热超过约10℃，与峰值太阳光辐照度超过约900 W/m²的在典型室外环境下的普通的纺织品（如棉）相比，相当于超过约200 W/m²的降温功率。此外，当汗水蒸发起作用时，与棉相比，辐射降温纺织品仍然可以避免模拟皮肤加热器过热约8℃。这些结果证明了用于被动室外降温的选择性地调整纺织品辐射性能的卓越能力。这种改良的纺织品可以改善室外的热舒适性，吸引更多人参与户外活动。

人体与室外环境之间的热交换如图3a所示。人体的总热应激可被规定为：

其中𝑃_gen是新陈代谢的产热率，𝑃_阳光是来自太阳光辐照度的热获取率，𝑃_rad、𝑃_evap、𝑃_conv和𝑃_cond分别是通过辐射、蒸发、对流和传导产生的净热损失率。

因此，保持室外热舒适性涉及通过减少热量获取并增加热量损失来减少热应激。比较方法主要集中于服装的蒸发和对流热损失以实现室外降温，但是这两个散热路径都有其自身的约束条件，这些约束条件在很大程度上取决于湿度和风等级等环境条件。尽管太阳光辐照度和热辐射对整体热交换有很大贡献，但对于纺织品却很少考虑。如图3c所示，太阳光辐照度光谱（AM 1.5G）主要分布在约0.3至约4 µm的可见光和近红外范围内，总功率密度约为1000 W/m²。基于其平均太阳光反射率值（图7），超过约60％的总太阳光辐照度可以被裸露皮肤吸收。另一方面，人皮肤是良好的IR发射器，其IR发射率约为0.98（图7）。在大约34℃的皮肤温度下，人体发射的热辐射主要在约7至约14 μm的中红外范围内，峰值发射的波长约为9.5 μm，净辐射功率密度约为100 W/m²。普通纺织品（如棉（白色））的平均太阳光反射率约为60％，从而使很大一部分太阳光辐照度功率被皮肤吸收（图8）。同时，棉的低IR透射率阻碍了人体热辐射的有效损耗（图8）。由于太阳光辐照度和人体热辐射光谱之间的边际重叠（图3c），因此提出了一种光谱选择性辐射纺织品，该纺织品具有强烈的太阳光反射和高的中红外透射来同时减少辐射热传递的输入并提高其输出以用于室外降温。

图3b显示了建议的室外辐射式降温纺织品的示意图，该纺织品由嵌入纳米多孔PE（nanoPE）基质中的ZnO纳米颗粒（NP）组成。由脂肪族C‒C和C‒H键组成的聚乙烯是IR透明的，因此可以大体上充分透射人体辐射以进行室内降温。然而，由于其相对较低的折射率n（约1.5），其太阳光反射比对于室外用途并不令人满意。无机固体通常比聚合物具有更高的折射率，其中ZnO具有高折射率n（约2），并且从可见光（约400 nm）到中红外波长（约16 μm）也具有较小的吸收。它们的材料特性使ZnO和PE的组合特别适合用作基础材料，以构建用于室外降温目的的所需辐射选择性。

使用结构光子工程对无机-有机基质设计进行数值优化，以获得光谱选择性辐射性能。图4a模拟了球形ZnO颗粒在PE介质中，在0.4至16 µm的光谱波长下，颗粒直径在0.01至10 µm范围内的标准化散射截面。当颗粒尺寸小于0.1 µm或大于1 µm时，散射截面在整个波长范围内要么全部很小要么全部很大，从而导致在光谱上的选择性低。在与太阳光波长相当的0.1至1 µm的颗粒尺寸范围内，会发生强烈的Mie散射，从而在可见光和近IR范围内选择性地显著增加散射截面，而中IR的散射保持较小。该结果表明，适当选择在约0.1 μm至约1 μm内的ZnO颗粒尺寸可以在可见光和近IR中实现高反射，而在中IR中实现高透射。另外，在相同直径（例如320 nm，图4b）下在PE介质中比较了ZnO颗粒和气孔的散射截面。比较表明，ZnO颗粒在可见光范围内的散射比气孔强，这进一步说明了ZnO在获得较高可见光反射比方面的优势。最后，进行详细的计算以确定ZnO颗粒尺寸和密度对太阳光反射（图4c）和中IR透射（图4d）的影响。随着颗粒尺寸和密度的增加，太阳光反射增加，而中IR透射降低，从而导致图4e中投影的最佳范围（白色区域）。

根据数值优化的指导，ZnO-PE纺织品是通过以下方法实验制造的：将ZnO颗粒与熔融的聚乙烯以ZnO：PE = 约2：5的重量比在石蜡油（PE与油的比例为约1至5）中混合，然后将复合混合物熔融压制成薄膜，最后用二氯甲烷从薄膜中提取石蜡油。所得的ZnO-PE薄膜在阳光下呈白色（图5a），表明所有角度的所有可见光的强散射。在扫描电子显微镜（SEM）下的检查显示纺织品的多孔结构（孔占体积约20％至约30％），其中ZnO颗粒随机嵌入PE基质中（图5d-f）。使用X射线显微镜对纺织品样品进行X射线计算机断层扫描显示，ZnO颗粒在整个体积中大体上均匀分布（图5b）。使用动态光散射对它们的直径进行表征，主要是在约0.3至约0.8 µm之间，并且在约0.5 µm处出现峰值（图5b），与数值优化的颗粒尺寸匹配。

ZnO-PE的光学性质是使用紫外-可见-近红外（UV-VIS-NIR）和傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪通过积分球测量的。测得的光谱在太阳光区域显示超过约90％的高反射率，在人体热辐射集中的约7至约14 µm之间显示出约80％的高透射率（图5g）。测得的光谱与理论模拟结果非常吻合（图9），验证了适当材料的战略选择和合理的结构光子设计用于实现这种光谱选择性性质，从而满足辐射式室外降温纺织品的标准。

为了达到室外人体降温的目的，所使用的纺织品本身具有非常低的热辐射（取而代之的是高的热传递）和强烈的太阳光反射。它的辐射性能与其他辐射降温方法完全不同，这里的方法进一步强调了取决于应用的性质的辐射降温的各种机会。更重要的是，该方法是专门针对纺织品应用而设计的，其独特的性质是材料可以被挤出成纤维用于针织或编织纺织品（图5c）。

在晴朗的春日里，在加利福尼亚州斯坦福市，展示了ZnO-PE辐射式降温纺织品的室外性能。图6a中所示的测量装置包括：模拟皮肤的加热器，该加热器放置在泡沫的顶部以防止热量散失到底部；热电偶，其在加热器表面上用于测量模拟皮肤的温度；以及纺织品样品，其覆盖所述模拟皮肤（图6b）。将约104 W/m²的热功率输入施加至加热器，以模拟皮肤的新陈代谢的产热率。在大约中午时间记录了大约四个小时模拟皮肤的加热器的实时温度，而整个装置处于日光直射下并暴露在空气中。如图6c所示，在13:00（当地时间）左右，在风对流和约910 W/m²的峰值太阳光辐照度下，ZnO-PE覆盖的模拟皮肤的加热器显示温度约为33.5℃，远低于覆盖白棉的（45.6℃）和裸露（53.1℃）的模拟皮肤的加热器。请注意，没有纺织品样品的这些模拟皮肤的加热器的温度在日光和阴影下都是相同的（图10），这证实了所测得的温度差异来自纺织品的影响。ZnO-PE覆盖的模拟皮肤的加热器的明显更低的温度证明了ZnO-PE的优秀的降温能力，这归因于其高的太阳光反射减少了来自太阳的热输入，以及其对人体热辐射的高传递增强了辐射热输出。使用传热模型分析，对这些纺织品样品在图6c中的测试条件下达到正常皮肤温度约34℃所需的额外降温功率进行了计算（补充说明，图11和12）。在11:00至15:00（当地时间），覆盖棉的和裸露的模拟皮肤的加热器分别规定了约116至约219 W/m²和约305至约454 W/m²的额外降温功率，而ZnO-PE则使模拟皮肤的加热器被动降温，以在无额外降温功率供应的情况下将温度维持在约34℃以下（图6d）。

需要进一步考虑的是汗水蒸发可以提供额外降温功率，其由通过纺织品的水蒸发速率（图13）和水的蒸发热（约44 kJ/mol）的乘积估算得出。但是，通过蒸发估算出的降温功率供应仍然不能补偿在风对流和峰值太阳光辐照度为约910 W/m²的情况下覆盖棉的和裸露的模拟皮肤的加热器的降温功率需求（图6f）。实时室外测量是在风对流和太阳光辐照度约900至约1050 W/m²的条件下进行的，考虑到汗水蒸发的影响，加热器的顶部上有一个浸水的多孔层（图6e）。加上汗水蒸发作用，ZnO-PE仍将模拟皮肤的加热器的温度维持在约34℃，而在覆盖棉和裸露的情况下，分别观察到过热约5至约8℃和约9至约15℃，这与热分析结果一致，进一步证实了辐射降温在室外环境中的优越性。

还需要考虑ZnO-PE层厚度对太阳光反射和中红外透射的影响（图14）。随着纳米复合层厚度在约10 μm至约640 μm的范围内增加，观察到一个折衷方案，其中约80 μm至约160μm的厚度对于同时高太阳光反射和中红外透射是最佳的。

此外，通过使用电感耦合等离子体质谱测量洗涤前后的水中Zn离子浓度，评估ZnO-PE纺织品材料的稳定性和耐用性（图15）。结果表明，在洗涤过程中，痕量的ZnO（约2十亿分之一（ppb））被释放到了水中。由于PE在ZnO颗粒上的紧密包裹，证明了嵌入式结构的良好耐用性。同样，使用¹H核磁共振（NMR）的测量结果证实，二氯甲烷非常易挥发，可以通过蒸发大体上完全去除（图16）。

此外，黑色是通过在PE中添加微米级的硅颗粒来实现的，其在约4至约18 µm的波长范围内也显示出高的红外透明度（图17）。

总而言之，该实施例提出了具有光谱选择性辐射性质的ZnO-PE纺织品通过材料性质和结构光子工程技术的结合有利于人体的被动室外降温。这里证实的在峰值日光条件下显著的室外降温性能显示了被动辐射散热机制（普通纺织品所缺少的性质）的突出地位，以应对日益严峻的户外热应激和气候变暖带来的巨大挑战。ZnO-PE的另一个优点包括与大规模制造的实际兼容性。像其他合成纺织品材料（例如尼龙和聚酯）一样，可以将耐磨性改进处理应用于ZnO-PE，以提高实际使用的穿戴舒适性。进一步工程化ZnO-PE的纤维几何结构，使其具有吸湿排汗性能，可以实现辐射和蒸发散热的协同作用。

材料和方法：

ZnO-PE辐射式户外降温纺织品的制造

ZnO-PE复合材料是通过以下方法制造的：将ZnO颗粒（约99.9％，Sigma Aldrich）与高密度聚乙烯（HDPE，熔融指数约为2.2 g/10min，Sigma Aldrich）和超高分子量聚乙烯（UHMW，Alfa Aesar）以ZnO：HDPE：UHMWPE = 约2：4：1的重量比在石蜡油中在约200℃的温度下混合。石蜡油的体积约为聚乙烯重量的5倍。然后将混合物在约70℃至约100℃熔融压制成薄膜。最后，使用二氯甲烷（约99.99％，Fisher Chemical）从薄膜中提取石蜡油。使用商用挤出机将ZnO-PE纤维熔融挤出。

材料表征

由FEI Sirion（5 kV）拍摄SEM图像。使用ZEISS Xradia 520 Versa X射线显微镜进行X射线计算机断层扫描。使用Malvern Zetasizer Nano ZS表征ZnO颗粒直径分布曲线。使用具有弥散积分球的Agilent Cary 6000i UV-VIS-NIR分光光度计测量UV-VIS-NIR反射率和透射率。使用FTIR光谱仪（Model 6700，Thermo Scientific）与弥散金积分球（PIKETechnologies）一起测量IR反射率和透射率。

室外热测量

使用硅橡胶绝缘的柔性加热器（Omega，约39 cm²）模拟皮肤。加热器被连接至电源（Keithley 2400），所述电源提供约104 W/m²的加热功率密度，以模拟新陈代谢的产热率。在模拟皮肤的加热器下方放置绝缘泡沫，以确保皮肤加热器产生的热量选择性地传递到周围环境。将带式热端热电偶（直径约0.3 mm，K型，Omega）与加热器的顶部表面接触，以测量模拟的皮肤温度。纺织品样品覆盖在模拟皮肤的加热器上。整个设备由覆盖有一层镀铝聚酯薄膜的木框支撑。在测试过程中，该设备暴露在直射的日光和空气中。测量覆盖有ZnO-PE、棉和未被覆盖的模拟皮肤的加热器的实时温度以及环境温度。使用日射强度计（Kipp&Zonen CMP 6）记录直接和漫射太阳辐照度。为了测量汗水蒸发效果，将薄层碳涂覆的铝泡沫用水浸泡，用聚多巴胺涂覆的nanoPE薄膜密封，然后放在加热器的顶部来模拟汗水蒸发效果。

水蒸发速率测试

该测试程序基于经过修改的ASTM E96。向约100 mL介质瓶（Fisher Scientific）中充满约40 mL蒸馏水，然后使用敞开式瓶盖和硅橡胶垫圈（Corning）通过纺织品样品密封。然后将密封的瓶子放入环境室中。室内的温度和相对湿度分别保持在约35℃和30±10％。定期测量瓶和样品一起的总质量。然后将减少后的质量（对应于蒸发的水）除以暴露面积（直径约3 cm）和时间，得出水蒸发速率。

嵌入有ZnO的聚乙烯的透射和反射的建模

为了模拟光透射和反射，将嵌入有ZnO的PE材料建模为包含均匀分布的散射颗粒的随机介质。可以使用Mie理论来计算单个ZnO纳米颗粒的光散射特性。用于计算的ZnO的光学参数可以在W. L. Bond, “Measurement of the Refractive Indices of SeveralCrystals,” Journal of Applied Physics 36, 1674 (1965), and M. R. Querry,“Optical constants” (MISSOURI UNIV-KANSAS CITY, 1985)中找到。计算在不同波长下不同尺寸的颗粒的散射截面。为了模拟多个嵌入了ZnO纳米颗粒的PE，散射截面以ZnO颗粒尺寸的正态分布进行平均，方差为±0.1 μm。

可以使用Chandrasekhar辐射传递理论来模拟通过这种随机介质的光透射。ZnO纳米颗粒被建模为各向同性散射，这是一个很好的近似，因为每个ZnO颗粒可以具有不同的形状，但是宏观平均光学性质会影响纺织品的性能。穿过包含散射颗粒的平板区域的透射可以通过以下等式获得：

其中𝜌是ZnO纳米颗粒的密度，𝜎_𝑎𝑣𝑔是平均散射截面，ℎ是材料的厚度。

等式（1）适用于无限主体介质中的平板区域被散射颗粒嵌入的情况。考虑到嵌入有ZnO的PE是悬浮在空气中的薄膜结构，因此总透射𝑇_总通过将作为有效介质的薄膜结构的透射𝑇_𝑓单独与等式（1）中获得的透射相乘来计算，即：

由于在感兴趣的波长范围内材料吸收很小，可以忽略不计，因此，嵌入有ZnO的PE薄膜的总反射计算为𝑅_总=1 – 𝑇_总。

补充说明：

额外降温功率需求的热传递模型分析

使用一维稳态热传递模型分析来确定皮肤在室外条件下达到34℃的皮肤温度所需的额外降温功率（图11）。在此模型中，人体的热增益来自太阳光辐照度和新陈代谢产热。包括热辐射、传导和对流，以模拟从穿着衣服的人体到周围空气的散热（图7）。

对于纺织品覆盖的皮肤，在皮肤表面和纺织品外表面的能量平衡方程可以表示为：

在皮肤表面：

在纺织品外表面：

纺织品内的温度曲线可以近似为：

对于裸露的皮肤，皮肤表面的能量平衡方程为：

在此，𝑞_gen是单位面积的新陈代谢的产热率，𝑞_cool是额外的降温功率供应。𝑞_rad,皮肤是来自皮肤的辐射热通量，𝑞_rad,amb是来自周围空气的辐射热通量，𝑞_rad,t𝑖是来自纺织品内表面的辐射热通量，𝑞rad,to是来自纺织品外表面的辐射热通量，𝑞cond,空气是皮肤和纺织品之间的空气间隙中的传导热通量，以及𝑞conv是从纺织品到周围空气的对流热通量。根据傅立叶定律（Fourier’s law）、降温的牛顿定律（Newton’s law）和Stefan-Boltzmann定律，传导、对流和辐射热通量项可以表示为：

所有输入参数在下表1中列出。

表1. 用于传热模型分析的输入参数

符号	定义	值	单位
				<i>q</i><sub><i>gen</i></sub>	新陈代谢的产热通量	104	W·m<sup>-2</sup>
<i>k</i>	导热系数	纺织品，<i>k</i><sub><i>纺织品</i></sub>=0.05 空气间隙，<i>k</i><sub><i>空气</i></sub>= 0.03	W·m<sup>-1</sup>·K<sup>-1</sup>
				<i>t</i>	厚度	棉，<i>t</i><sub><i>棉</i></sub>= 180 ZnO-PE，<i>t</i><sub><i>ZnO-PE </i></sub>=150空气间隙，<i>t</i><sub><i>空气</i></sub>= 300～500	μm
<i>σ</i>	Stefan-Boltzmann常数	5.67 x 10<sup>-8</sup>	W·m<sup>-2</sup>·K<sup>-4</sup>
				<i>ε</i><sub><i>ir</i></sub>	MIR发射率	皮肤，<i>ε</i><sub><i>皮肤</i></sub>=1周围环境，<i>ε</i><sub><i>amb</i></sub>=0.8棉，<i>ε</i><sub><i>棉,ir</i></sub>=0.88ZnO-PE，<i>ε</i><sub><i>ZnO-PE,ir</i></sub> = 0.15	无单位
<i>α</i><sub><i>ir</i></sub>	MIR吸光度	棉，<i>α</i><sub><i>棉,ir</i></sub>=0.88ZnO-PE，<i>α</i><sub><i>ZnO-PE,ir</i></sub> = 0.15	无单位
				<i>τ</i><sub><i>ir</i></sub>	MIR透射率	棉，<i>τ</i><sub><i>棉,ir</i></sub>=0.03ZnO-PE，<i>τ</i><sub><i>ZnO-PE,ir</i></sub> = 0.7	无单位
<i>ρ</i><sub><i>ir</i></sub>	MIR反射率	棉，<i>ρ</i><sub><i>棉,ir</i></sub>=0.09ZnO-PE，<i>ρ</i><sub><i>ZnO-PE,ir</i></sub> = 0.15	无单位
				<i>α</i><sub><i>vis</i></sub>	UV-VIS-NIR吸光度	棉，<i>α</i><sub><i>棉,vis</i></sub>=0.03ZnO-PE，<i>α</i><sub><i>ZnO-PE,vis</i></sub> = 0.08	无单位
<i>τ</i><sub><i>vis</i></sub>	UV-VIS-NIR透射率	棉，<i>τ</i><sub><i>棉,vis</i></sub>=0.33ZnO-PE，<i>τ</i><sub><i>ZnO-PE,vis</i></sub> = 0.02	无单位
				<i>ρ</i><sub><i>vis</i></sub>	UV-VIS-NIR反射率	皮肤，<i>ρ</i><sub><i>皮肤,vis</i></sub>=0.36棉，<i>τ</i><sub><i>棉,vis</i></sub>=0.64ZnO-PE，<i>τ</i><sub><i>ZnO-PE,vis</i></sub> = 0.9	无单位

在室外热测试期间，不提供额外降温功率，即𝑞_cool = 0。使用图6c中测得的P _阳光 、T _皮肤 和T _amb 值，在裸露的皮肤情况下，使用等式（6）在测试期间拟合不同时间的对流热传递系数h。使用拟合的对流热传递系数h值，计算出ZnO-PE和棉的情况下的皮肤温度，这些温度与测得的皮肤温度值非常吻合（图12）。该结果证实了热传递模型分析的适用性。通过将T _皮肤 =34℃以及所有其他给定的输入参数代入等式（3）、（4）、（5）和（6），计算出在图6c所示的测试条件下将皮肤温度维持在34^oC的额外降温功率q _cool 。

实施例2

用于被动辐射式降温的红外透明聚乙烯纺织品的着色

概述：

有效地调节人体与环境之间的热流不仅改善了热舒适性，而且还提出了一种用于降低建筑能量消耗的改进且成本效益好的方法。红外性能工程化纺织品已被证明被动地调节辐射散热，用于有效地人体降温和保暖。然而，允许同时控制可见颜色而不损害所需的红外性能仍然是主要挑战，这在很大程度上限制了它们在实际应用中的吸引力。在此，此实施例报告了一种策略，该策略利用无机纳米颗粒作为着色成分代替染料分子，并使用聚乙烯作为柔性主体，通过大规模的工业过程制造可见着色和红外透明的纺织品。制成的复合纺织品显示约80％的高红外透明度、被动降温效果约1.6至约1.8℃，还显示出强烈的可见颜色和良好的洗涤稳定性。这种简便的着色方法可以促进可调节温度的可穿戴应用中辐射纺织品的商业化，以有效地节省能源。

结果和讨论：

管理可穿戴产品上的热流是改善人体健康和舒适性的重要功能。此外，考虑到巨大的能源消耗在空间供暖和降温上，并且例如占美国总能源消耗的10％以上，热管理可穿戴产品可以对建筑物的能源节省产生实质性影响。随着人口和生活水平的提高，这对于缓解逐渐增长的能源需求和气候变化问题是需要的。与建筑级别的温度调节（大部分能量浪费在空旷的空间）相反，个人热管理策略是更高效、成本效益好的解决方案，其旨在为人体及其局部环境提供局部加热和降温。

控制服装纺织品的红外（IR）性能可以对人体的局部降温和加热显示强烈影响。例如，已证明IR透明的纳米多孔聚乙烯（nanoPE）可以将人体被动降温约2℃，而具有低IR发射率的金属化nanoPE可以使人体加热约7℃。这是由于人类皮肤具有高发射率（ε = 约0.98）并像黑体（black body）一样起作用，其强烈发射约7至约14 µm的IR波长范围内的热辐射，峰值强度约为9.5 µm。因此，热辐射路径在人体散热中起着不可或缺的作用，在室内条件下占约50％以上。这些发现为个人的热管理打开了一个方向，因为对比的纺织品材料缺乏红外辐射控制的能力。

但是，红外性能的限制会在同时控制可见颜色外观方面带来很大的困难。由于颜色是支配可穿戴市场的最重要因素之一，因此这一难题仍然是限制其在现实生活中实际应用的主要挑战。挑战在于有机织物染料分子具有不同种类的化学键，可以强烈吸收人体辐射，例如C-O拉伸（stretching）（约7.7 – 约10 µm）、C-N拉伸（约8.2 – 约9.8 µm）、芳香族C-H弯曲（bending）（约7.8 – 约14.5 µm）和S=O拉伸（约9.4 – 约9.8 µm）。因此，添加有机染料可能会导致IR透明度降低，使其不适合辐射降温效果。此外，聚乙烯（辐射纺织品的基础材料）是化学惰性的且没有极性基团，其抑制化学染料的表面粘附。

在此实施例中，解决了可见着色和红外性能控制之间的难题，并报道了具有高IR透明性的有色聚乙烯纺织品用于辐射降温的演示。这是通过成功地识别和利用在IR区域内具有可忽略的吸收的无机颜料纳米颗粒，同时通过优化浓度和尺寸来反射某些可见颜色来实现的。代替不稳定的表面粘附方法，将无机颜料纳米颗粒复合到聚乙烯基质中以形成用于稳定着色的大体上均匀的复合材料。进一步证明，有色聚乙烯复合材料可以容易地被挤出成连续且机械强度高的纤维，用于使用大规模工艺编织交织的织物。编织的织物显示出约80％的高IR透明度和约1.6至约1.8℃的良好辐射降温性能，以及在水中对于洗涤周期的良好颜色稳定性。这种方法为辐射纺织品的实际实施奠定了基础，以提供改进的个人热管理来更有效地利用能源。

有色聚乙烯纺织品的建议的设计的示意图如图18a所示。选择IR透明的无机纳米颗粒作为颜料，选择聚乙烯作为柔性聚合物主体或基质。通过混合过程将这两种组分均匀混合，然后形成的复合材料可以被挤出成纤维形状，用来编织或针织交织的织物。如图18b所示，被发现满足IR透明度标准的无机固体包括普鲁士蓝（PB）、氧化铁（Fe₂O₃）和硅（Si），它们用于纺织品中也是无毒且便宜的。图18c中的傅立叶变换红外（FTIR）光谱测量表明，这些无机固体在约4 - 14 µm的红外波长范围内的吸光度可忽略不计，例外是普鲁士蓝在约4.8μm处强烈而窄的峰（由于C≡N拉伸振动）和硅在约8 - 10 μm处弱而宽的峰（由于表面上的天然氧化硅）。如图18d - f中的扫描电子显微镜（SEM）图像所示，它们的颗粒尺寸在约20nm至约1000 nm的范围内选择。一方面，该纳米级尺寸范围远小于约4 - 14 µm的人体热辐射波长。因此，这些纳米颗粒将不会引起红外光的强烈散射从而降低有色聚乙烯混合物的IR透明度。另一方面，基于Mie散射理论，特定尺寸范围内的高折射率电介质或半导体纳米颗粒可以在可见光谱范围内具有强的共振光散射。因此，通过控制纳米级尺寸可以产生不同的可见颜色。例如，与块状硅的黑色相反，直径为约100 nm至约200 nm的硅纳米颗粒（在633 nm处的折射率>约3.8）呈现黄色，这是由于与磁和电偶极模式的激发相关的明显的Mie共振响应所致。与硅纳米颗粒不同，块状的普鲁士蓝和氧化铁纳米颗粒均显示其自然色。普鲁士蓝的深蓝色与Fe（II）到Fe（III）之间的间隔化合价（intervalence）电荷转移有关，而氧化铁的深红色由其约2.2 eV的光学带隙决定。用蓝色、红色和黄色这三种原色，通过以不同比例使其混合可以在整个可见光谱中创建所有不同的颜色。

采用混合工艺在约180℃下将纳米颗粒与熔融的聚乙烯颗粒物理混合，从而生产出大体上均匀的无机固体-聚合物复合材料。纳米颗粒的最佳质量比约为1％，该复合材料维持良好的热加工性能用于成型为任意形状，并在可见光和红外范围内均具有令人满意的光学性能。由于颜料纳米颗粒在聚乙烯聚合物基质内大体上均匀分布，厚度约为100 µm的PB-PE、Fe₂O₃-PE和Si-PE复合薄膜分别显示出均匀且强烈的蓝色、红色和黄色（图19a）。复合薄膜的紫外-可见（UV-VIS）光谱测量显示主反射波长在约450 nm、约600 nm和约750 nm处，分别与普鲁士蓝、氧化铁和硅纳米颗粒的原始颜色相匹配（图19b）。可见光的强反射和吸收导致可见范围内的高不透明度（指定为1 –镜面透射率）超过约80％（图19d），这满足了服装在防止识别纺织品后面物体方面的基本功能。此外，在红外区域，复合材料均显示出约80％的高透明度（图19c），从而使人体辐射热传递到环境中以实现辐射降温效果。

使用高通量熔融纺丝机将有色聚乙烯复合材料挤出成复丝（multi-filament）纱线，进一步证明了这一点（图20a）。如图20c-e的光学显微镜图像所示，每根挤出的纱线均由直径约30至约50 µm的19根单股长丝（mono-filament）纤维组成。同样明显的是，颜料纳米颗粒大体上均匀地嵌入纤维内。此外，机械强度测试表明，有色聚乙烯复合纱线可以承受的最大拉伸力为约1.9 N至约2.8 N，这与普通服装面料中使用的棉纱线相当（图20b）。该机械强度允许将纱线进一步编织成具有良好的透气性、柔软性和机械强度的大规模交织的织物（图20f-k）。随着交织的编织图案的并入，有色聚乙烯复合材料织物仍然显示出约80％的高红外透射率（图21a），与图19c中所示的平面固体薄膜的红外透射率大致相同。此外，通过使用电感耦合等离子体质谱测量洗涤前后的水中Fe、K和Si离子浓度评估有色聚乙烯织物的稳定性和耐用性（图21b）。离子浓度可忽略不计的变化证明，Fe₂O₃、普鲁士蓝和Si纳米颗粒被聚乙烯聚合物基质紧密包裹，可以维持洗涤周期并保持原始颜色，而不会将颜料纳米颗粒释放到水中。

最后，对有色聚乙烯纺织品的热性能进行表征。使用橡胶绝缘的柔性加热器来模拟皮肤的热量产生，并在覆盖不同的纺织品样品时记录其温度响应。整个装置被封闭在室内，室内的周围空气温度大体上维持恒定在约25℃。在与人体新陈代谢的产热率相当的约80 W m^-2的热功率密度时，裸露的皮肤加热器显示约33.5℃的温度。当用普通的棉纺织品覆盖皮肤加热器时，皮肤温度升高至约36.5℃（图21c）。当用PB-PE、Fe₂O₃-PE和Si-PE纺织品覆盖时，测得的皮肤温度在约34.7至约34.9℃的范围内，表明与棉相比，它们具有被动降低人体温度约1.6至1.8℃的能力。在将有色聚乙烯纺织品穿戴在人体皮肤上时，使用红外摄像机可视化并验证辐射降温效果（图21d）。在热成像下进行的比较清楚地表明，有色聚乙烯纺织品比普通的棉纺织品允许更好地将人体辐射热传递到环境中。

总之，该实施例证明了一种基于无机颜料纳米颗粒的改进方法，用于大规模制造可见着色和红外透明的纺织品，与比较纺织品相比，它允许更有效地消散人体辐射热，同时在多种颜色中展现出吸引力。发现包括普鲁士蓝、氧化铁和硅的颜料材料可以满足可忽略的IR吸收、无毒和低成本的所有条件，它们可以分别产生蓝色、红色和黄色的原色。通过以不同比例混合这三种原色，可以潜在地创造散布在整个可见光谱范围内的不同颜色。通过具有最佳纳米颗粒浓度和尺寸的大规模混合、挤出和编织过程，制成的复合纺织品显示出强烈的可见着色、约80％的高红外透明度、约1.6至约1.8℃的被动降温效果以及良好的洗涤稳定性。本文介绍的方法解决了辐射式纺织品着色的关键瓶颈，有助于朝着节能且成本效益好的热管理可穿戴技术的应用迈进。

材料和方法：

纺织品制造。聚乙烯的着色是通过以下方法进行的：使用双螺杆混合机（PolymersCenter of Excellence）将各种无机固体颜料纳米颗粒（如普鲁士蓝（ACROS Organics）、氧化铁（Sigma Aldrich, 99%）和硅（MTI Corporation, 100 nm ,99%））与熔融的高密度聚乙烯颗粒（熔融指数：每10 min约2.2 g，Sigma Aldrich）在约180℃下混合。纳米颗粒与聚乙烯之间的最佳质量比约为1：100。然后使用复丝熔融纺丝机（Hills Inc.）将纳米颗粒混合的聚乙烯复合材料挤出成纤维。使用加斯顿大学纺织技术中心的FAK采样器编织机进行纺织品编织。

材料表征。用光学显微镜（Olympus）拍摄挤出的纤维和编织的纺织品的照片。通过FEI XL30 Sirion SEM（约5 kV）拍摄SEM图像。通过FTIR光谱仪（Model 6700, ThermoScientific）与弥散金积分球（PIKE Technologies）一起测量红外吸光度和透射率。通过紫外可见光谱仪（Agilent, Cary 6000i）测量可见反射和不透明度。

热测量。使用连接至电源（Keithley 2400）的橡胶绝缘的柔性加热器（Omega，约72cm²）模拟皮肤。将带式热端热电偶（直径约0.3 mm，K型，Omega）与模拟皮肤的上表面接触，以测量皮肤温度。将保护加热器和绝缘泡沫放置在模拟皮肤的加热器下方，以确保皮肤加热器产生的热量选择性地传递到环境中。保护加热器的温度设定为与皮肤加热器的温度相同，因此避免了向下热传导至工作台。整个装置被封闭室内，并且室内的环境温度被控制大体上恒定在约25℃。皮肤加热器的功率密度被设置为大体上恒定在约80 W m^-2，在约25℃的环境温度下使皮肤温度为约33.5℃。当用纺织品样品（约5×约5 cm²）覆盖皮肤时，在环境温度保持在约25℃时，测量稳态皮肤温度响应。热图像由校准的热像仪（MikroSHOT，Mikron）拍摄。

机械测试。抗拉强度测试是通过Instron 5565测量的。纱线样品被切成约4 cm的长度。针距（gauge distance）约为2 cm长，位移速率保持在约10 mm min^-1。

洗涤测试。在搅拌下，用干净的水（约80 ml）洗涤编织的纺织品约30 min。收集洗涤前后的水，然后使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）进行测试，以量化洗涤期间从纺织品样品释放的金属离子（普鲁士蓝、氧化铁和硅分别为K、Fe和Si）的量。

如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数术语“一”、“一个”和“该”可以包括复数个指示物。因此，例如，除非上下文另外明确指出，否则对一个对象的引用可以包括多个对象。

如本文所使用的，术语“大体上”、“基本上”和“约”被用于描述和说明小的变化。当与事件或情况结合使用时，这些术语可以指事件或情况精确发生的情况以及事件或情况发生非常接近的情况。例如，当与数值结合使用时，术语可以包含小于或等于该数值的±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“尺寸”是指物体的特征尺寸。因此，例如，球形物体的尺寸可以指物体的直径。在物体是非球形的情况下，非球形物体的尺寸可以指相应的球形物体的直径，其中相应的球形物体表现出或具有与非球形物体的性质大体上相同的一组特定的可导出或可测量的特性。当将一组物体称为具有特定尺寸时，可以想到，这些对象可以具有围绕该特定尺寸的尺寸分布。当提及一组具有特定尺寸的物体时，可以预期，物体可以具有围绕特定尺寸的尺寸分布。因此，如本文所使用的，一组物体的尺寸可以指尺寸分布的典型尺寸，例如平均尺寸、中位尺寸或峰值尺寸。

另外，本文中有时以范围格式呈现数量、比例和其他数值。应当理解，这样的范围格式是为了方便和简洁而使用的，并且应该灵活地理解为包括明确指定为范围上下限的数值，但也包括该范围内包含的所有单个数值或子范围，就像每个数字值和子范围都被明确指定一样。例如，约1至约200的范围应理解为包括明确列出的约1和约200的上下限，而且还包括单个值（例如约2、约3、以及约4）和子范围（例如约10至约50、约20至约100等等）。

尽管已经参考本公开的特定实施方案描述了本公开，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的真正精神和范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等效物。另外，可以做出许多修改以使特定情况、材料、物质组成、方法、操作适应本公开的目的、精神和范围。所有这些修改旨在落入所附权利要求的范围内。特别地，尽管可能已经参考以特定顺序进行的特定操作描述了某些方法，但是应当理解的是，在不脱离本公开的教导的情况下，这些操作可以被组合、细分或重新排序以形成等效方法。因此，除非在此特别指出，否则操作的顺序和分组不是本公开的限制。

Claims (21)

1.一种纺织品，其包含：

基质；以及

颗粒填料，其分散在所述基质中，

其中所述纺织品的在9.5 μm的波长处的红外辐射的透射率为至少40％，并且

其中所述纺织品的在0.3 μm至2 μm的波长范围内的辐射的加权平均反射率为至少40％。

2.根据权利要求1所述的纺织品，其中所述基质包括至少一种聚烯烃。

3.根据权利要求2所述的纺织品，其中所述基质包括聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的纺织品，其中所述颗粒填料的峰值颗粒尺寸在10 nm至4000nm的范围内。

5.根据权利要求1所述的纺织品，其中所述颗粒填料包括无机材料。

6.根据权利要求5所述的纺织品，其中所述颗粒填料包括金属氧化物、金属卤化物或金属硫化物中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的纺织品，其中所述颗粒填料包括氧化锌、溴化钾、碘化铯、氯化钾、氯化钠或硫化锌中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的纺织品，其中所述颗粒填料与所述基质之间折射率的差异为相对于所述基质的折射率至少±5％。

9.根据权利要求1所述的纺织品，其中在9.5 μm的波长处红外辐射的透射率为至少60％。

10.根据权利要求1所述的纺织品，其中在0.3 μm至2 μm的波长范围内的辐射的加权平均反射率为至少60％。

11.根据权利要求1所述的纺织品，其中所述基质是多孔的。

12.根据权利要求11所述的纺织品，其中所述基质内的孔的体积百分比为至少5％。

13.根据权利要求11所述的纺织品，其中所述基质内的孔的峰值孔尺寸在10 nm至4000nm的范围内。

14.根据权利要求1所述的纺织品，其包含纤维，所述纤维包括所述基质和分散在所述基质内的所述颗粒填料。

15.根据权利要求1所述的纺织品，其包含薄膜，所述薄膜包括所述基质和分散在所述基质内的颗粒填料。

16.一种纺织品，其包含：

基质；以及

颗粒填料，其分散在所述基质中，

其中所述纺织品的在9.5 μm的波长处的红外辐射的透射率为至少40％，并且

其中所述纺织品在对应于特定颜色的可见范围内的波长处具有反射率的峰值。

17.根据权利要求16所述的纺织品，其中所述颗粒状填料包括准金属、金属氧化物或金属氰化物中的至少一种。

18.一种调节人体温度的方法，包含：

将权利要求1-17的任一项所述的纺织品放置在所述人体附近。

19.一种形成多孔纺织品的方法，包含：

形成溶剂、至少一种聚合物和颗粒填料的混合物，其中所述颗粒填料包括无机材料，所述无机材料的在9.5 μm的波长处的红外辐射的透射率为至少40％，并且所述颗粒状填料的峰值颗粒尺寸在10 nm至4000 nm的范围内；

挤出所述混合物以形成包括溶剂和分散在纺织品内的所述颗粒填料的纺织品；以及

从纺织品中提取溶剂以形成所述多孔纺织品。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少一种聚合物包括聚烯烃。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述颗粒填料包括氧化锌、溴化钾、碘化铯、氯化钾、氯化钠或硫化锌中的至少一种。

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