文獻(xiàn)前沿丨Adv. Fiber Mater.：面向自供能傳感與熱調(diào)控的光子工程化輻射冷卻電子紡織品

現(xiàn)有電子織物雖然柔性、可穿戴，但一旦為了實(shí)現(xiàn)多功能而疊加多層結(jié)構(gòu)，往往會(huì)犧牲透氣性、舒適性和界面穩(wěn)定性；同時(shí)，器件長(zhǎng)期工作還面臨兩大瓶頸，一是持續(xù)供電困難，二是戶外穿戴時(shí)人體熱量積聚、熱舒適性差。已有摩擦電紡織品能把人體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)成電能，但熱管理不足；已有輻射冷卻方案又常因薄膜粘附或紗線孔隙過(guò)大而影響耐久性、透氣性與調(diào)控能力。因此，作者希望把“自供能傳感”和“被動(dòng)降溫”整合到同一塊織物里，并且盡量不破壞可穿戴體驗(yàn)。為此，研究構(gòu)建了一種輻射冷卻摩擦電織物（radiative cooling triboelectric textile, RCTT），通過(guò)靜電紡絲制備SEBS/F127纖維層，再引入TiO2耦合、氟硅烷改性和液態(tài)金屬/銀電極，使其同時(shí)具備能量采集、動(dòng)作傳感與熱調(diào)控能力。相關(guān)成果以Photonic?engineered radiative cooling e?textiles for self?powered sensing and thermoregulation為題發(fā)表在Advanced Fiber Materials上。

文章首先指出電子紡織品在多功能集成過(guò)程中容易出現(xiàn)舒適性下降、透氣透濕性受損、界面穩(wěn)定性不足，以及持續(xù)供電和戶外熱舒適性難以兼顧等問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上提出將自供能傳感與被動(dòng)輻射冷卻集成到同一織物中的思路，并展示了應(yīng)用場(chǎng)景、貼膚佩戴方式、TiO2在纖維表面的錨定方式以及材料的反射率和發(fā)射率（圖1）；隨后介紹了RCTT的制備過(guò)程，包括SEBS/F127纖維層的構(gòu)建、TiO2耦合與氟硅烷改性、銀納米顆粒沉積和液態(tài)金屬合金化電極的形成，并通過(guò)形貌、物相和元素分布結(jié)果說(shuō)明層級(jí)結(jié)構(gòu)已形成（圖2）；接著測(cè)試了材料的疏水、自清潔、透氣透濕、導(dǎo)電穩(wěn)定性和力學(xué)性能，說(shuō)明該織物在大變形條件下仍能保持可穿戴所需的基本性能（圖3）；之后評(píng)估了摩擦電輸出與應(yīng)用表現(xiàn)，包括不同應(yīng)變和頻率下的輸出、負(fù)載功率、電容充電以及步行、跑步、跳躍、肘關(guān)節(jié)彎曲和羽毛球揮拍等動(dòng)作監(jiān)測(cè)（圖4）；最后分析了輻射冷卻機(jī)理，測(cè)試了其太陽(yáng)反射、中紅外發(fā)射、晴天和陰天條件下的室外冷卻表現(xiàn)，并進(jìn)一步通過(guò)模擬皮膚和人體穿戴實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)際降溫效果（圖5、圖6）。

圖1 (a)所設(shè)計(jì)的舒適穿戴型RCTT的潛在應(yīng)用示意圖。(b) RCTT佩戴在人手腕上的照片。(c) TiO2納米顆粒通過(guò)醇解反應(yīng)錨定在SEBS/F127纖維表面的示意圖。(d) RCTT的反射率和發(fā)射率。

圖2 (a) RCTT的制備過(guò)程。(b)分子鍵合策略與耦合反應(yīng)機(jī)制示意圖。(c)錨定在纖維表面的TiO2納米顆粒的SEM圖像。(d) F–TiO2–SF的XRD圖譜。(e) LM–Ag–SF的合金化機(jī)制與機(jī)械激活過(guò)程。(f) LM–Ag–SF的光學(xué)顯微圖像。(g)電極的XRD圖譜。(h)截面SEM圖像及對(duì)應(yīng)的元素分布圖。

圖3（a）F–TiO2–SF對(duì)不同液體表現(xiàn)出的疏水性照片；（b）對(duì)應(yīng)的接觸角；（c）F–TiO2–SF在大拉伸和彎曲狀態(tài)下的疏水性；（d）F–TiO2–SF的自清潔測(cè)試；（e）隨磨損循環(huán)增加，F–TiO2–SF的水接觸角和TiO2含量百分比變化；（f）透氣性展示照片；（g）透氣性和透濕性數(shù)值；（h）不同電極在應(yīng)變作用下的電學(xué)性能；（i）不同應(yīng)變下電極對(duì)LED亮度的影響；（j）不同紡織物的拉伸應(yīng)力–應(yīng)變曲線；（k）RCTT的循環(huán)拉伸–釋放曲線。

圖4（a）應(yīng)變依賴的輸出電壓；（b）頻率依賴的輸出電壓；（c）負(fù)載特性曲線；（d）33 μF電容的連續(xù)充放電曲線（插圖顯示該電容為電子手表供電）；（e）行走、跑步和跳躍的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)；（f）肘關(guān)節(jié)在45°、90°和120°彎曲時(shí)的監(jiān)測(cè)曲線；（g）單次羽毛球揮拍的監(jiān)測(cè)曲線；（h）不同速度下羽毛球揮拍的監(jiān)測(cè)曲線。

圖5（a）基于化學(xué)鍵的輻射冷卻機(jī)理示意圖；（b）TiO2納米顆粒的形貌；（c）TiO2納米顆粒散射效率隨粒徑變化的關(guān)系；（d）不同紡織物的太陽(yáng)光反射率曲線和中紅外發(fā)射率曲線；（e）陽(yáng)光下冷卻性能測(cè)試裝置的照片與示意圖；（f）晴天條件下的冷卻性能曲線；（g）對(duì)應(yīng)的凈冷卻功率；（h）陰天條件下的冷卻性能曲線；（i）對(duì)應(yīng)的凈冷卻功率。

圖6（a）太陽(yáng)輻照測(cè)試裝置照片（該裝置由帶嵌入式加熱器的模擬皮膚、用于溫度監(jiān)測(cè)的熱電偶以及覆蓋在模擬皮膚上的RCTT組成）；（b）陽(yáng)光下覆蓋在模擬皮膚上的織物樣品溫度曲線；（c）RCTT輻射冷卻機(jī)理示意圖：通過(guò)反射陽(yáng)光并傳遞人體熱輻射實(shí)現(xiàn)降溫；（d）志愿者在陽(yáng)光下分別穿戴RCTT和棉織物時(shí)的熱成像圖。

小結(jié)：該研究設(shè)計(jì)了由F–TiO2–SF功能層和LM–Ag–SF導(dǎo)電層組成的分層多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)TiO2提升太陽(yáng)反射與表面粗糙度、通過(guò)氟硅烷增強(qiáng)紅外發(fā)射與疏水性、通過(guò)液態(tài)金屬—銀合金電極保證大變形下導(dǎo)電穩(wěn)定；隨后系統(tǒng)表征了其潤(rùn)濕性、透濕透氣性、力學(xué)性能、摩擦電輸出和輻射冷卻性能。結(jié)果顯示：材料太陽(yáng)反射率達(dá)92%，8–13 μm大氣窗口內(nèi)紅外發(fā)射率達(dá)96%；最大瞬時(shí)功率密度為328 mW·m-2，循環(huán)5100次后輸出仍穩(wěn)定；在晴天和陰天分別可實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度2.0 ℃和1.1 ℃的降溫，白天凈冷卻功率為78.5 W·m-2；模擬皮膚測(cè)試中較棉布額外降溫5.5 ℃，人體實(shí)測(cè)10 min后皮膚溫度較棉布低3.4 ℃。

論文信息:Fan, Chonghui; Long, Zhiwen; Wu, Mengwei; Li, Lianhui*; Wei, Qufu*; Wu, Changsheng*. Photonic-engineered radiative cooling e-textiles for self-powered sensing and thermoregulation. Advanced Fiber Materials. 2026:1-13.

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