近年来，随着全球气候变化，极端天气反复出现，全球沙漠面积随之扩张，其变化引起气候和大气环流格局的改变，最终影响人类的生产生活。除了积极采取措施减少荒漠化的速度，如何在当下环境内应对复杂的气候变化也迫在眉睫。虽然已经开发了各种主动热管理系统，如空调，但它们都是能源密集型的，并且不便于便携式使用。将零能量输入冷却技术纳入个人热管理系统是一种很有前途的解决方案，可以预防高温导致的热应激等相关疾病，同时减少能源消耗。然而，设计出既能在极热和极冷环境中实现个人体温调节又不消耗能量的材料，同时又能提供良好的穿着舒适性，仍然是一个巨大的挑战。众所周知，沙漠中的一些哺乳动物都看似“反常”地进化出了厚厚的皮毛，用来维持身体的正常温度（图1a）。骆驼作为典型例子，为了适应沙漠地区的强太阳辐射和昼夜大温差，骆驼进化出了多孔中空的毛纤维形状和双层皮毛结构（图1b）。双层皮毛在白天可以反射太阳辐射快速降温，提高汗液散热的效率，在夜晚温度迅速降低时又能保温。
有鉴于此，翟文涛教授团队以骆驼皮毛为灵感，开发了新颖的热塑弹性体微挤出发泡技术，以超临界流体为物理发泡剂，通过限时泡孔增长策略控制泡孔聚并程度，通过发泡熔体后牵伸控制发泡纤维的纤度，制备了低旦超细的、具有低皮芯结构的、100%闭孔的热塑弹性体多孔纤维。利用微纳多孔结构和分级结构设计，在炎热环境下通过辐射冷却和蒸发冷却带走热量，寒冷环境下降低热量交换，从而实现了大温差全天候环境下的人体热管理。本工作从骆驼的热管理系统获得灵感，采用微挤出物理发泡技术连续规模制备了不同直径、泡孔结构、柔韧度的热塑弹性体多孔纤维（MPF）以适应于各种不同场景的应用（图1c）。如图1d可见，得到的MPF具有仿生皮芯结构，外层较为致密，而内层均匀分布了微纳孔洞结构。微挤出发泡技术具有连续化、低成本的加工优势，有望批量化制造聚合物多孔纤维材料（图1e）。
图 1 a. 骆驼的热调节机制；b. 骆驼皮毛结构；c. 微挤出超临界物理发泡制备多孔纤维的流程示意图；d. 发泡多孔纤维的SEM图像；e. 发泡多孔纤维的实物照片
迄今为止，已报告的冷却/加热双模式材料均是利用涂层、功能粒子嵌入等方式制备的具有不对称性Janus结构的材料，需要通过改变Janus薄膜的方向性以实现辐射冷却或太阳能加热的功能。区别于常见的Janus结构薄膜，本研究开发的MEPFT-d的热管理机理可以分为三个方面:
1. 辐射冷却机理：基于分子振动理论(MIR波段4 ~ 25 μ m的分子设计)和米氏散射理论(太阳波段0.3 ~ 2.5 μ m的纳微米分层设计)，当孔径分布在纳米范围内时，纳米孔可以有效散射0.3 ~ 1.5 um波长范围内的太阳光。当孔径增大到微米范围时，其他范围的散射得到补偿。并且，层次化多孔聚合物通过用光散射空腔代替无机介电填料，来增强光谱太阳反射率，提高辐射冷却的效率。MEPFT-d在近红外波段(0.5~2.5 μ m)的太阳反射率为98.7%，在远红外波段(16-25 um)的热发射率高达97.2%。（图2）
图 2 MEPFT-d的辐射冷却机理及表征
2. 蒸发冷却机理：通过构造单向输水织物结构，产生毛细力梯度，将水分从内部吸到外部，而其亲水性的外侧进一步提高了其输送速度，最大限度地提高了冷却效率。当环境炎热时，皮肤上的汗液可以从疏水的内侧输送到亲水的外侧，保持皮肤干燥。当环境变冷时，润湿性梯度将阻碍水分子的向外输送，减少热量损失。将Janus润湿性和蒸发散热整合到一个具有良好隔热和被动辐射冷却性能的发泡织物系统中，可以利用其协同效应，最大限度地发挥MEPFT-d的热管理效果。（图3）
图 3 MEPFT-d的蒸发冷却机理及表征
3. 保温隔热机理：多孔结构降低织物的导热系数，可在低温环境下阻碍人体和环境的热交换。在相同厚度下，MEPFT-d的CLO为0.545，远远高于棉和羊毛。而且，作为一种可织织物，其CLO值接近羽绒和抓绒，足以证明其优良的热性能。本研究开发的柔性多孔纤维材料的孔洞结构稳定，材料轻量化、易编织、透气、耐水洗等，通过利用微纳多孔结构和构造特定的编织结构，有望应用于炎热环境下的辐射制冷织物，以及在大温差全天候环境下的降温和保温织物等。（图4）
图 4 MEPFT-d的隔热机理及表征
翟文涛教授团队长期从事聚合物超临界流体发泡技术相关的应用基础研究、关键技术开发和技术产业化，创新的发泡技术成果已经应用于芯片化学机械抛光、新能源汽车、运动防护等多个领域，产生了显著经济和社会效益。本工作以“A Camel-Fur-Inspired Micro-Extrusion Foaming Porous Elastic Fiber for All-Weather Dual-Mode Human Thermal Regulation”为题发表在《Advanced Science》上（10.1002/advs.202407260）。文章第一作者是本学院2023级博士研究生王俞舒，通讯作者为中山大学翟文涛教授。该研究得到国家自然科学基金委和广东省重点项目基金委的支持。
原文链接：
http://doi.org/10.1002/advs.202407260
来源：中山大学
