一种智能双向温度自适应热管理织物及其制备方法和应用

本发明属于热管理织物，涉及一种智能双向温度自适应热管理织物及其制备方法和应用。

背景技术：

1、通过热管理织物来进行热量调控，包括热传导、热对流、热辐射、热蒸发、热量储放与转换等五个途径，其中，以热传导和热对流进行热量调控的传统织物受到了广泛的研究，近年来，随着微纳光学的发展，热辐射调控被证明是织物有效实现热管理性能的另一大关键因素。

2、辐射调控热管理分为辐射保温和辐射制冷两部分，其中，辐射保温主要通过低红外发射率的材料减少热量散失，而辐射制冷则通过高中红外辐射发射以及高太阳反射率材料来增加热量耗散及减少外界热量输入，但都呈现单向调节的特征，适用范围有限，只能在一定的温度范围内发挥作用，而不能在温度变化较大的环境下实现有效的调节。

3、例如，cn 117344545 a一种具备温度可视化功能的个人热管理织物及其制备方法，将热致变色粉末掺入含银导电纤维中得到热致变色导电纤维，将其通过纺织编织工艺，得到具备温度可视化功能的个人热管理织物；其中，利用热致变色粉末的颜色转变使得纤维织物由有色到白色，来控制光热效应的强弱，以调节外界太阳热量输入，并且能显示温度状态，但是仅利用热致变色调控光热效应强弱，偏重于冷环境下的应用，而热环境下反射率较低(虽然银在高温下是白色的，但没有对其折射率及粒径分布进行优选)，制冷效果较差，无法得到很好的应用。

4、文献1(intelligent adjustment of light-to-thermal energy conversionefficiency of thermo-regulated fabric containing reversible thermochromicmicropcms[j].chemical engineering journal,408(2021).)中，将热致变色相变微胶囊直接用于织物上，颜色转变可显示热量储放状态，由黑色变为白色，变为黑色时相变放热并增强光热加热，提高人体热舒适性，但是该技术方案仅利用了相变微胶囊的相变储热及光热效应，偏重于冷环境下的光热转换，对于热环境下的舒适性调节效果较差。

5、文献2(spectrally selective nanocomposite textile for outdoor personalcooling[j].advanced materials,2018,30(35):1802152.)中记载，将氧化锌(zno)纳米颗粒嵌入纳米聚乙烯(pe)中，能够反射超过90％的太阳辐照度并且将人体热辐射透过，与普通棉纺织品相比，它能够在日照高峰条件下避免皮肤过热超过10℃，并且这一材料也可以通过熔融挤出得到zno-pe纤维，进一步编织成具有更高耐磨性和透气性的实用纺织品。文献3(hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiativecooling[j].science,2021,373(6555):692-696.)设计了由氧化钛-聚乳酸和聚四氟乙烯层组成的多层超织物，实现了太阳光波段的高反射率以及中红外的高发射率，被超织物覆盖的人体相较于商用棉织物覆盖的人体，实现了4.8℃的降温。

6、在此基础上，本领域技术人员研究了双向热管理织物，双向切换主要通过双面复合翻转切换的形式，以及动态辐射调控水分响应切换、湿度刺激响应的形式。

7、例如：文献4(a dual-mode textile for human body radiative heating andcooling[j].science advances,2017,3(11):e1700895.)设计了双面复合织物，其中铜-纳孔聚乙烯面对应低辐射的保温状态，碳浆-纳孔聚乙烯面对应高辐射的散热状态，通过翻转实现两种不同辐射热管理功能的个人热管理织物。

8、文献5(metalized polyamide heterostructure as a moisture-responsiveactuator for multi modal adaptive personal heat management[j].scienceadvances,2021,7(51):eabj7906.)设计了汗液响应性的织物，通过襟翼的打开和关闭同时调控对流、汗液蒸发和辐射3种散热方式，将人体的热舒适区扩展；文献6(porouspolymers with switchable optical transmittance for optical and thermalregulation[j].joule,2019,3(12):3088-3099.)提出基于吸附了多壁碳纳米管的疏水性三乙酸酯和亲水性纤维构成的自适应个人辐射散热材料，在外界环境炎热潮湿时，织物中纱线发生变形并紧密地结合在一起，缩小了纱线中导电材料的距离，增强了电磁耦合，使得织物的红外透射率变高，进而实现更高性能的散热，当外界环境变得凉爽干燥时，织物中纱线以相反的方式做出响应，阻挡人体热量散失。

9、但二者都存在着一定的局限性：双面翻转限制了其应用场景和范围，不适用于无法翻转的纺织品应用；而动态辐射调控，如机械刺激响应切换以及机械结构转换等都需要外界能量输入、湿度刺激响应对于环境要求较高，在高湿环境下易失效。

10、因此，研究一种智能双向温度自适应热管理织物及其制备方法和应用，以能够根据外界温度环境实现自适应智能切换，具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种智能双向温度自适应热管理织物及其制备方法和应用。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种智能温度自适应热管理织物，包含纤维织物，纤维织物表面依次涂覆有辐射冷却层和热致变色相变微胶囊功能表层；

4、热致变色相变微胶囊功能表层在高温环境下呈无色，在低温环境下呈黑色；高温是指高于热致变色相变微胶囊的相转变温度，低温是指低于热致变色相变微胶囊的相转变温度。

5、作为优选的技术方案：

6、如上所述的一种智能温度自适应热管理织物，辐射冷却层为高反射性粒子掺杂有机聚合物涂层、p(vdf-hfp)(聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)多孔涂层、tpu(热塑性聚氨酯)多孔涂层和pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)多孔涂层的一种以上；辐射冷却底层可以对特定波长的太阳光进行强烈的米氏散射，通过反射粒子的选择和调控可实现宽太阳光谱的反射；对于中红外热辐射波段，作为含高红外发射率聚合物涂层的纤维织物具有很高的热辐射率，能够实现高效的辐射散热；

7、有机聚合物为pvc、tpu、pdms(聚二甲基硅氧烷)或pmma；

8、高反射性粒子为tio2、baso4、caso4、zno和cr2o3的一种以上；

9、高反射性粒子的粒径分布在0.2～2μm范围内。

10、如上所述的一种智能温度自适应热管理织物，热致变色相变微胶囊功能表层在无色状态下的可见光透射率为0.8～1，在黑色状态下的可见光吸收率为0.8～1。

11、如上所述的一种智能温度自适应热管理织物，热致变色相变微胶囊的壳材为三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂、聚氨酯和聚丙烯酸酯的一种以上，芯材包括相变材料(助溶剂)、显色剂和呈色剂三组分，相变材料为硬脂酸甲酯和硬脂酸乙酯的一种以上，显色剂为双酚a，呈色剂为2-苯氨基-3-甲基-6-二丁氨基荧烷；

12、相变材料、显色剂与呈色剂的质量比为94:4:2。

13、在特定温度(相转变温度)下，显色剂和呈色剂因发生电子转移平衡反应使该有机物的分子结构发生变化，体系表现出可逆热色性。呈色剂的内酯环在低温下发生开环反应，与显色剂的酚羟基反应形成共轭发色团结构。在助溶剂的作用下，在低温环境中保持开环状态，体系呈黑色。在高温下，内酯环闭合，体系无色，从而实现从“有色-无色”和“无色-有色”状态的颜色变化。

14、如上所述的一种智能温度自适应热管理织物，热致变色相变微胶囊的相转变温度为10～70℃；热致变色相变微胶囊的粒径分布在5～50μm范围内。

15、如上所述的一种智能温度自适应热管理织物，纤维织物中的纤维为聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚氨基甲酸酯纤维、聚乙烯醇缩醛纤维、聚丙烯纤维、醋酸纤维、棉和蚕丝的一种以上；

16、纤维织物的厚度为0.2～2mm；

17、辐射冷却层的厚度为50～500μm；

18、热致变色相变微胶囊功能表层的厚度为50～500μm。

19、本发明还提供如上任一项所述的一种智能温度自适应热管理织物的制备方法，以纤维织物为基底，先在基底上刮涂并干燥形成辐射冷却层，再将热致变色相变微胶囊溶液刮涂于辐射冷却层表面，干燥后形成热致变色相变微胶囊功能表层；刮涂后在烘箱内干燥一段时间，然后自然冷却(即放置在室温环境中冷却)；

20、热致变色相变微胶囊溶液包含热致变色相变微胶囊和有机聚合物溶液，且热致变色相变微胶囊的含量为6～10wt％，有机聚合物溶液的含量为90～94wt％；

21、有机聚合物为pvc、tpu、pdms或pmma。

22、本发明还提供如上任一项所述的一种智能温度自适应热管理织物在产业用纺织品中的应用，所述产业用纺织品包括衣物、汽车内饰、窗帘、车罩、顶棚及其他户外运动用品。

23、发明原理：

24、本发明的智能温度自适应热管理织物，由纤维织物基底以及涂覆在基底上的辐射冷却层和热致变色相变微胶囊功能表层组成。热致变色相变微胶囊本身具有相变储能特性，可以在不同温度下吸收、储存及释放热量；辐射冷却底层可以对特定波长的太阳光进行强烈的米氏散射，能够实现高效的辐射散热。此外，利用热致变色相变微胶囊的热致变色功能赋予织物热管理模式可调节的特性，高温时热致变色相变微胶囊呈现无色，热管理织物为白色，具有较高的太阳反射率，启用降温模式；低温时热致变色相变微胶囊呈现黑色，可吸收太阳光谱中可见光的能量，进行光热转换，启用保温模式。

25、智能温度自适应热管理织物的双向热管理原理在于：如图1所示，当外界环境温度较高时，织物处于降温模式，热致变色相变微胶囊进行相变吸收织物热量，延缓其温度上升；同时热致变色相变微胶囊在聚合物涂层中呈现无色，使得热管理织物呈现为白色，在太阳光谱(包括可见光与近红外光)波段，太阳辐射光线能够高度透过热致变色相变微胶囊功能表层，照射到底部的辐射冷却层后被强烈散射，从而使得织物表面具有较高的太阳反射率，减少吸收的太阳辐射热量，由此降低其表面温度；在中红外热辐射波段，基于热管理织物本身的高热辐射率特性(织物表面有机聚合物涂层自身的高发射率)，实现辐射散热。相反，当外界环境温度较低时，织物处于保温模式，相变微胶囊发生相变释放热量，延缓织物温度下降；同时热致变色相变微胶囊呈现黑色，使得热管理织物呈现为黑色，在太阳光谱中占50％左右的可见光波段，利用热致变色相变微胶囊呈现的黑色表层实现对太阳辐射光线的高吸收，此时太阳辐射光线被表层完全吸收而底部的辐射冷却涂层将无法发挥其辐射冷却作用，从而减少辐射冷却对织物温度的影响，并增加织物表面吸收的太阳辐射热量。

26、有益效果：

27、(1)基于米氏散射原理和辐射选择性调控技术，本发明的一种智能温度自适应热管理织物的制备方法，在纤维织物表面形成具有高太阳散射率的涂层，即辐射冷却层，在高太阳辐照的降温模式下最大限度地减少辐射热输入，从而有效降低织物表面温度；另外利用相变材料的优势，在相变储能的基础上实现热致相转变的同时发生颜色的变化，进而实现对可见光波段热辐射的调控，避免单一固定辐射特性，从而适应不同温度变化；

28、(2)本发明的一种智能温度自适应热管理织物的制备方法，采用的聚合物涂层具有优异的耐久性、可扩展性和兼容性，利于热管理织物的产业化制备及功能设计，且方法简单；

29、(3)本发明的一种智能温度自适应热管理织物，通过热致相变温度的设计调整，可根据实际应用需求在一般状态下呈现所需颜色外观，在高太阳辐照下，需要进行高效热管理时，进行变色以有效控制纺织品表面温度上升，能够大幅降低表面最高温度；而在温度适宜时迅速恢复原有的颜色外观，不影响其实际日常应用；

30、(4)本发明的一种智能温度自适应热管理织物，对外界温度刺激启用自切换热管理模式，实现智能响应；

31、(5)本发明的一种智能温度自适应热管理织物可应用于包括衣物、汽车内饰、窗帘、车罩、顶棚及其他户外运动用品在内的产业用纺织品，用途广泛。