智能調溫服——石墨烯紙用于個人熱管理

引言

維持恒定的內環境溫度，對于保證人體正常的新陳代謝以及生命體征有著十分重要的意義。一般情況下，人體自身的體溫調節機制能夠維持恒定的體溫環境，然而，當人體處于極端惡劣、復雜多變的環境時，自身的體溫調節功能難以維持一個安全舒適的溫度狀態，需要服裝來幫助人體調節體表環境溫度。現有的可應用于服裝的調溫材料像電加熱材料、紅外反射材料、輻射冷卻材料等是一種單向的調溫材料，只能實現加熱或降溫，不能滿足復雜多變的環境需求。因而，開發新型個人熱管理材料，實現服裝調溫功能的雙向性仍然是一個挑戰。

成果簡介

近期，東華大學王宏志教授與美國維克森林大學David Carroll教授聯合研究團隊報道了一種輕量、柔性、可水洗的石墨烯紙，并將其應用于服裝熱管理。相關論文“Ultrathin, Washable, and Large-Area Graphene Papers for Personal Thermal Management”于2017年9月29日在線發表于Small。王宏志教授團隊采用高通量的刮涂法和基于維生素C的熱液還原制備了力學性能優異的超薄結構石墨烯紙（1~8 μm），這種石墨烯紙具有自支撐、可水洗、對皮膚友好的特點。王宏志教授團隊將這種石墨烯紙應用于服裝上，在炎熱環境下，基于材料高熱導的特性它能夠將服裝內環境的熱量快速導向外環境，幫助人體體表環境降溫；在嚴寒環境下，基于高電導的特性，它能夠在3.2V的低電壓下實現快速升溫，幫助人體保暖。為提高穿著舒適性，解決透氣性問題，研究者進一步通過與傳統織物結合，采用平紋編織、混編、鏤空、剪紙等技術設計了多種熱管理器件。這種基于石墨烯紙的熱管理器集雙向調溫功能于一體，實現了降溫與保暖的一體化設計，能夠為未來智能服裝的開發帶來靈感。

圖文導讀

圖一: 基于刮涂法制備石墨烯紙的流程圖

通過刮涂法實現氧化石墨烯納米片在基底材料上的定向組裝，室溫干燥后得到了柔性、輕量、自支撐的氧化石墨烯紙。采用維生素C熱液對其還原，得到了高導熱、高導電的石墨烯紙。

圖二: 石墨烯紙的機械性能演示及耐水洗性能測試

所制備的大面積石墨烯紙具有優異的機械強度和柔韌性，從而賦予其耐水洗性能，其厚度可通過刮涂過程精確調控。

圖三: 石墨烯紙的熱管理性能（加熱和降溫）表征

嚴寒環境下，基于石墨烯紙電熱響應特性，可實現對人體的加熱保暖；在炎熱環境下，基于石墨烯紙高熱導的特性，可實現對人體的快速散熱。

圖四: 基于石墨烯紙的個人熱管理器結構設計和應用演示

結合傳統的紡織工藝，通過合理設計不同結構的個人熱管理器，顯著提高了器件透氣性，從而改善了熱管理服裝的穿著舒適性。

本文由本文由美國 Wake Forest University(維克森林大學）Chaochao Dun 投稿，材料牛編輯整理。

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