与高温作战,制冷面料研发大步向前
2021-09-06 08:19 星期一
方恒博

近日,瑞士苏黎世联邦理工学院大气与气候科学研究所讲师Erich Markus Fischer在科学杂志《自然》(Nature)上发表的《创纪录极端气候事件出现可能性增加》(Increasing probability of record-shattering climate extremes)一文提出,2021年到2050年,严重高温事件发生的可能性较之过去30年涨幅最高可达7倍;从2051年到2080年,这一可能性最高将增加21倍。

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图片来源:chicagotribune.com

美国自行车杂志《速度新闻》(VeloNews)技术编辑Dan Cavallari表示,过去在炎热天气穿浅色衣物是标准做法,但是在现代制冷面料不断发展的当下,身着黑色服装也能保持凉爽和干燥。“制冷面料有助于吸走水分并反射太阳光线以保持凉爽,这也意味着即使面临高温也无需受浅色衣物束缚。”

制冷面料存在广阔市场需求

伴随着人们对舒适服装材料的了解与探索,可以为穿着者降温、蒸发汗水的制冷面料正在蓬勃发展。在美国能源部高级能源研究计划署(Advanced Research Projects Agency for Energy,ARPA-E)代理主任Jennifer Gerbi看来,“与在家中安装全新的空调系统相比,改变穿着面料当然更容易,”同时相比于空调造成的环境问题,“改变服装面料是个人可以作出的保护环境的方式”。

美国市场研究咨询公司Markets and Markets2020年发布的报告显示,去年全球制冷面料市场规模预计为20亿美元,在2020年至2025年这一时间周期内,这一市场将以6%的年复合增长率保持持续增长势头,到2025年制冷面料市场将达到26亿美元。更节约能源且更可持续的制冷面料正在成为气温上升之下保持凉爽的解决方案。

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图片来源:columbia.com

美国另一市场调研公司Allied Market Research发布的《2020年-2027年制冷面料全球机会分析和行业预测》报告中提及,在美国、中国、巴西、俄罗斯和马来西亚等国家,制冷面料在体育产业的应用是这一市场增长的一大引擎。运动员越来越意识到需要穿着舒适的衣服提高体育比赛中的舒适度,从而提高在体育赛事中的表现,这一趋势也从职业运动员向普通运动爱好者过渡,因此在预期周期内,这一产业依然将是全球制冷织物市场的主要驱动力。

随着经济的不断发展、生活方式的改变及体育文化的兴起,印度市场调研公司Market Data Forecast认为从2021年至2026年,新型经济体对制冷面料的需求将呈指数级增长。这些国家对运动服装的需求推动了制冷面料市场的发展,同时新兴经济体对体育产业关注度较高,这也将刺激需求的增长,形成正向循环。

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图片来源:fortune.com©MARTIN LAKSMAN

在医疗行业,某些感染或慢性疾病会导致体温升高或者发烧,因此制冷面料可以用于缓解此类疾病带来的不适感,同时在医护人员面临常态化疫情防护措施的背景下,制冷面料在防护服中的应用也将成为下一步方向;除了民用领域的增长,制冷面料特有的温度调节、抵抗有害紫外线 (UV) 和污染物的优点,也使得其在军事方面亦有应用空间。

制冷面料选用的原材料并不局限,天然面料加工或是由合成面料制成都不鲜见,相较于需要更高成本加工的天然面料,制造企业选择合成面料的占比较高,其中较为常用的是使用涤纶、氨纶和尼龙等合成纤维制造的制冷面料。

产业技术研究成果频出

终端市场对制冷面料的需求是市场增长的动力,而在研发层面的不懈追求使得新型面料不断被推出,不断成长的技术是产业发展的另一大驱动。

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图片来源:wprecop.com

纳米纤维制品

去年7月,东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士和丁彬教授带领的纳米纤维研究团队在学术期刊《美国化学学会应用材料和界面》( ACS Applied Materials & Interfaces)发表了以氮化硼纳米片为主要原料的制冷面料,研究团队通过使用聚合物聚氨酯、疏水性聚合物氟化聚氨酯和导热填料氮化硼纳米片合成纳米纤维膜来制造新的制冷面料。

氮化硼纳米片有助于将热量从身体转移到外部,纤维膜间的空隙可以让空气流入,同时帮助皮肤表面水分蒸发,两种物质共同作用使得新型面料具有制冷效果且保持透气,同时氟化聚氨酯材料的协同作用保证了面料具备良好的防水渗透性。

为了检验这一面料的实际效果,该团队将材料样本与不含氮化硼的面料放在模拟人体热量的小型加热器上以进行测试。试验结果表明氮化硼制冷面料在吸热方面更高效,在40秒时间内面料表面温度即比另一面料高1.2摄氏度。

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(a)超疏水高导热纳米纤维膜的制备和结构组成
(b)超疏水高导热纳米纤维膜导热、透湿、防水性能示意图
图片来源:《用于冷却织物的具有互穿氮化硼网络的导热、透湿和超疏水纳米纤维膜》(Thermoconductive, Moisture-Permeable, and Superhydrophobic Nanofibrous Membranes with Interpenetrated Boron Nitride Network for Personal Cooling Fabrics)

研究团队认为这一研究成果相对容易生产,因此市场应用前景较为广泛,并且合成的纳米纤维不仅可以用于降温织物,也适用于电子设备中的冷却系统。

聚乙烯制织物

今年春天,麻省理工学院的研究人员发表了一项新的技术:将塑料制品的材料——聚乙烯纺成纤维和纱线,制成具备吸水性能的制冷面料。项目负责人麻省理工学院机械工程系研究型科学家Svetlana Boriskina表示:“我们采访过的每个人都说聚乙烯可以保持凉爽,但它不会吸水,因此它不能用作纺织品。”而本次研究的突破点即在于此。

研究团队从聚乙烯原始粉末开始操作,使用纺织制造设备将聚乙烯熔化并挤出成细纤维,使聚乙烯具有吸水性,之后团队将多根聚乙烯纤维聚集在一起制成可编织纱线。在发现特定直径的纤维在整个纱线中以特定方向排列可以提高纤维的芯吸能力后,研究人员开始优化纤维排列和尺寸,使聚乙烯织物具备比其他纺织品更强的吸水能力。与此同时,面料的制冷效果也得到了保证,Svetlana Boriskina称“当你触摸织物时,你的指尖会立即感受到清凉的感觉”。

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聚乙烯制织物
图片来源:news.mit.edu

为了制造染色织物,团队通过在加工前期将有色颗粒添加到粉末状聚乙烯中实现了更环保的上色过程。Svetlana Boriskina解释称传统的浸泡式化学染色工艺已经不再需要,“我们可以以完全干燥的方式对聚乙烯纤维进行着色,在其生命周期结束时,我们可以熔化并回收有色颗粒以再次使用”。

除了在材料本身的研究中取得了突破性进展,面料在制造全流程及产品全生命周期都更为可持续。研究人员发现与聚酯和棉等原有的制冷面料相比,生产聚乙烯纺织品所需的能源及产生的碳足迹更少;同时与其他合成类纺织材料相比,合成聚乙烯的过程在温室气体排放和废热产生方面都明显减少。这一新的研究成果目前已经应用于美国海军的服装项目中,同时Svetlana Boriskina也在推进其在服装行业的应用。

辐射冷却超级织物

前不久,华中科技大学及浙江大学联合发布的《无源制冷光学超织物用于可扩展的日间被动辐射制冷》(Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling)文章在学术期刊Science(《科学》)上发表,研究人员通过优化光学层级结构使得超级织物可以更有效地实现紫外、近红外及中红外波段的宽光谱精准调控,兼顾了制冷性能和可穿戴性。

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超级织物可以有效阻挡多种辐射
图片来源:min.news

2017年斯坦福大学研究人员已经设计出可以使得身体自然产生的中红外辐射向外发散的织物,但是这一成果对面料厚薄要求非常高,45微米薄(大约是轻薄型衬衫厚度的1/3)的织物才可以产生冷却身体温度的效果,因此其耐穿性饱受质疑。

本次中国两大高校的联合研究使得这一方向面料的研究向前跨越了一大步,由聚乳酸和合成纤维混合制成的面料厚度达550微米,同时其中分布着可以反辐射的二氧化钛纳米粒子。研究人员穿着一半超级织物、一半厚度相同的棉质织物的背心在阳光下进行降温测试,结果显示超级织物较另一半棉质织物温度相差5度。

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红外成像显示与普通棉(左)相比,新型织物(右)可以显著降低人体温度
图片来源:science.org

麻省理工学院机械工程师Evelyn Wang表示这项研究成果表明辐射冷却领域取得了快速进展,“这一新型冷却面料具有明显优势,因为它在材料选择上可以更加广泛,并且质地更接近棉质,这对消费者来说很重要”。

华中科技大学陶光明教授表示这一新型面料符合时下绿色环保的要求,可以通过中红外辐射将热量发散至太空从而实现零能耗的降温,另外“超级织物的主要材料是生物可降解的,这意味着,即使在年产百万吨的情况下,也不会对环境造成负担”。

新型制冷面料的研发以及对制冷面料的需求共同促进了这一市场的蓬勃,但是从实验室走向大众仍需一个过程。时尚新闻网站Fashionista的高级编辑Maura Brannigan认为,制冷面料会在气候变化的背景下变得越来越被需要,关键在于服装产业何时将科研成果转化为产品而不是是否转化,这是一次与时间的赛跑。

责编 | 许若瑜

题图来源:ebay.com
图片来源于网络,版权归原作者所有。

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