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冷暖两用纺织物——来自斯坦福大学的创新

摘要 : 美国斯坦福大学的研究人员近期研发出一种可逆的布料,无论天气如何,均无需耗费精力更换衣物,并能保持皮肤舒适的温度。美国《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文陈述道,材料科学与工程教授领导的一个小组,基于与日常厨房包装材料相同的材料制成
        美国斯坦福大学的研究人员近期研发出一种可逆的布料,无论天气如何,均无需耗费精力更换衣物,并能保持皮肤舒适的温度。美国《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文陈述道,材料科学与工程教授领导的一个小组,基于与日常厨房包装材料相同的材料制成了双面织物,织物既可保暖也可降温,这取决于衣服哪一面露在外面。

源自厨房包装材料的研发

       该项目得益于科学家对能源效率的兴趣以及在处理纳米材料方面的专业知识。人们若能在温度范围内保持舒适,就可节省空调和中央供暖的能源。为控制人体体感温度,为什么要给整栋楼降温供暖呢?衣服为什么不能让每个人都感到凉爽或温暖呢?这一问题触发了科学家的思考。
       美国所消耗的能源有13%是仅仅用于室内温控。温度每升高1℃,一个恒温器就节省高达10%的热能,反之亦然。也就是说仅仅调高几度室温就会对能源消耗产生重大影响。
        人体有很多控制体感温度的方法。当天气寒冷时,皮肤上的毛发就会突出捕捉暖气;我们可能冷得发抖,在肌肉中产生更多的辐射热。当热时,皮肤会释放热量,仍然感到热,人体就会出汗,水从我们体内蒸发带走了大量的热量。但这些机制只在一定程度上起作用。在温度范围之外,身体可以适应,可以接触到暖气或空调。
        早在2016年,斯坦福大学团队就宣布了该项解决方案的第一步:让体热给皮肤降温。虽然它们的灵感来自透明的、不透水的厨房包装,但新材料却不透明、透气,而且还保留了从身体辐射红外线的能力。在实验室条件下,他们将其与棉花样品相比较,发现测试品的温度低于人造皮肤温度2℃,这足以避免让人使用风扇或恒温器。该团队经试验发现,他们研发的第一种纺织品即可节省建筑工人20%~30%的能源预算。

可逆方法的研发进展

       就在我们计算出冷却时间时,问题来了:能给自身加热吗?这是一个特别寒冷的冬天,接受测试的人却要去美国冰天雪地的明尼阿波利斯开会,随身携带一大袋衣物。能不能创造一件衣服,让他在拥挤的会议室里,在结霜的街道上发挥作用呢?
       研究人员意识到控制辐射可双向作用。因此堆叠两层不同的材料,以释放热能,然后将其夹在冷却的聚乙烯层间。在一面,铜涂层在聚乙烯层和皮肤之间捕捉热量;另一面,碳涂层在另一层聚乙烯中释放热量。在铜涂层外,材料在凉爽时吸收热量并使皮肤变暖。随着碳涂层面朝外,它释放热量,使穿着者保持凉爽。
       结合夹芯材料可增加人的舒适温度范围在-12℃左右,据预测,它潜在的范围要大得多——接近-3.9℃。居民穿着这样的纺织品,在一定气候条件下,建筑物根本不再需要空调或中央暖气了。

最实用的聚合物纤维

       该团队表示,这种白色布料还不太适合人穿。理想的情况是,当我们接触到你想要穿在皮肤上的布料时,需要把它做成纤维编织结构,因为纺织面料更强,更有弹性,更舒适,看起来更像传统服装。他们已开始测试,以确保这类织物能洗涤。
       这项研究工作确实突出了将热工程概念与纳米光子结构结合在一起,创造新功能的重大机遇。该团队的目标是制造一种易于制造、实用的纺织品,可在世界各地节省大量能源。研发团队也不会就此止步,还会广泛试验以应用于医疗器械,专家们甚至想象出,在设施布料上印刷出令人愉快的图案,以使穿着者心情愉悦。该项目直接由美国能源部高级研究项目机构能源局资助。
(据美国斯坦福大学网站近期资料https://news.stanford.edu/2017/11/10/double-duty-textile-warm-cool/)

 
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