炎炎夏日，站在窗邊，聽(tīng)著聒噪的蟬聲，看著路上稀稀落落的行人和車(chē)輛、還有那因?yàn)楦邷囟@得模糊不清的路面，你不禁又調(diào)低了空調(diào)的度數(shù)，嘴里喃喃：“太熱了太熱了，遲點(diǎn)再出門(mén)吧”
空調(diào)本是人類夏季不可缺少的伙伴之一，但是它帶來(lái)的環(huán)境影響讓人們對(duì)其又愛(ài)又恨：能源危機(jī)被認(rèn)為是21世紀(jì)最緊迫的問(wèn)題，全球15%的電力消耗來(lái)自冷卻系統(tǒng)。然而，個(gè)人制冷僅需要在人體自身的“微氣候”中進(jìn)行熱管理即可實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)現(xiàn)今的制冷方式對(duì)于能源而言著實(shí)浪費(fèi)！對(duì)此，東華大學(xué)的丁彬教授、斯陽(yáng)研究員等人設(shè)計(jì)出一種可以在不使用任何電力情況下降溫的材料FPU-BN，F(xiàn)PU-BN膜是通過(guò)聚合物（聚氨酯）、疏水型聚合物（氟化聚氨酯）和一種導(dǎo)熱填料（氮化硼納米片）混合后通過(guò)靜電紡絲機(jī)制備的（圖1a）制成的，可有效將熱量從身體散發(fā)出去，同時(shí)又透氣、防水且易于制造，不同于現(xiàn)有的降溫技術(shù)：被動(dòng)激活冷卻機(jī)制或者體積大、重量大不適用于日常生活。該成果以“Thermoconductive, Moisture-Permeable, and Superhydrophobic Nanofibrous Membranes with Interpenetrated Boron Nitride Network for Personal Cooling Fabrics”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces 》雜志。
圖1 （a）FPU/BN膜的制備與結(jié)構(gòu)示意圖；（b）FPU/BN膜的防水性、透氣性和熱傳導(dǎo)的示意圖
用不同的BN納米片（BN質(zhì)量濃度為0、6、12、18和24%）制備了FPU-BN膜，所得膜形貌如圖2a-e所示：隨著B(niǎo)N含量的增加，BN納米片隨著紡絲射流一起沿著軸向堆積在FPU納米纖維表面，呈線性的有序排列，納米纖維相互連接。FT-IR光譜也證實(shí)BN納米片的存在（圖2f）上述表征結(jié)果證明材料復(fù)合膜保持疏水性的多孔結(jié)構(gòu)，以透濕和組織水分滲透。
圖2 不同BN含量的FPU/BN膜的SEM圖像：（a）0（b）6（c）12（d）18和（e）24%（f） 不同BN含量的BN和FPU/BN膜的FTIR光譜
文章探究不同BN膜的表面微觀結(jié)構(gòu)與濕潤(rùn)性。圖3a顯示膜表面的高度變化，隨著B(niǎo)N含量的增加，膜表面的粗糙度（Ra值）從0.84μm增加到9.06μm；FPU/BN膜也從疏水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷誀顟B(tài)；從圖3b也可以看出，F(xiàn)PU/BN0納米纖維表面光滑，與水滴接觸面積更大，而含有BN的膜表面與水滴接觸的面積減小，阻止水滴濕潤(rùn)材料。
圖3 （a）以（1）0％（2）6％（3）12％和（4）18％BN質(zhì)量比制造的FPU / BN膜的光學(xué)輪廓圖圖像 （b）FPU / BN18-RH90膜的超疏水性示意圖
人體釋放的熱量包括水分蒸發(fā)熱損失和直接散熱，材料結(jié)構(gòu)決定水分蒸發(fā)熱，而直接散熱主要受織物的傳熱控制。因此，從透濕性和導(dǎo)熱性2方面探究FPU/BN膜的熱管理。靜電紡納米纖維形成的大部分空隙大于0.1μm，大于汗液水分的大小；圖4a所示，F(xiàn)PU/BN隨著B(niǎo)N納米片的增加，膜的孔隙率由46%逐漸增加到62.5%，相應(yīng)微孔膜傳濕速率（WVT）從12.0kg m?2day?1提高到13.4。表明膜的孔隙率對(duì)膜WVT速率有積極影響，有利于釋放水分蒸發(fā)。圖4b表明，材料的透氣性也隨之提高，表明材料也可以通過(guò)氣流輕易地傳遞熱量。
圖4 （a）FPU/BN膜的孔隙率和WVT速率（b）薄膜的透氣性（c）FPU/BN膜的λ∥和λ⊥變化（d） FPU/BN膜的Rct與Ret變化
為更直觀地展現(xiàn)材料的導(dǎo)熱性與透氣性，作者們加熱FM1、FM-2和FM-3膜（FM1、FM-2和FM-3分別表示FPU/BN0膜、FPU/BN18-RH90膜、FPU/BN18-RH30，90/30為紡絲濕度），觀察材料的溫度變化，如圖5a所示：在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，F(xiàn)M-3表面溫度升高更快，這是因?yàn)镕M-3超高的熱導(dǎo)率而表現(xiàn)出快速的熱響應(yīng)；另外，F(xiàn)M-3膜在加熱40s后的平衡表面溫度為31.2°C，與FM-1和FM-2相比分別提高了1.2和0.7°C（圖5b），表明FM-3膜優(yōu)越的傳熱能力，優(yōu)秀的熱轉(zhuǎn)移能力表明材料可以立即轉(zhuǎn)移身體產(chǎn)生的熱量，使身體時(shí)刻保持涼爽。
接著，作者們將FPU/BN18-RH50膜固定在密閉室之間，密閉室與進(jìn)氣管相連，發(fā)現(xiàn)注入的空氣很容易通過(guò)膜，并在膜表面產(chǎn)生大量的氣泡，表明其優(yōu)秀的透氣性。
圖5 （a）FM-1、FM-2和FM-3在加熱過(guò)程中的紅外熱像圖（b）表面溫度隨FM-1、FM-2和FM-3加熱時(shí)間的變化（c） FPU/BN膜的防水透氣性演示
有了這款“行走的空調(diào)”，隨時(shí)隨地享受涼爽舒暢的感受，無(wú)懼高溫，無(wú)畏流汗！并且，研究人員說(shuō)，這款新型膜不僅可用于個(gè)人降溫，而且還可用于太陽(yáng)能收集，海水淡化和電子設(shè)備的熱管理。
