炎炎夏日，站在窗邊，聽著聒噪的蟬聲，看著路上稀稀落落的行人和車輛、還有那因為高溫而顯得模糊不清的路面，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，遲點再出門吧”
空調(diào)本是人類夏季不可缺少的伙伴之一，但是它帶來的環(huán)境影響讓人們對其又愛又恨：能源危機被認為是21世紀最緊迫的問題，全球15%的電力消耗來自冷卻系統(tǒng)。然而，個人制冷僅需要在人體自身的“微氣候”中進行熱管理即可實現(xiàn)，也就是說現(xiàn)今的制冷方式對于能源而言著實浪費！對此，東華大學的丁彬教授、斯陽研究員等人設計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膜是通過聚合物（聚氨酯）、疏水型聚合物（氟化聚氨酯）和一種導熱填料（氮化硼納米片）混合后通過靜電紡絲機制備的（圖1a）制成的，可有效將熱量從身體散發(fā)出去，同時又透氣、防水且易于制造，不同于現(xiàn)有的降溫技術：被動激活冷卻機制或者體積大、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膜的制備與結構示意圖；（b）FPU/BN膜的防水性、透氣性和熱傳導的示意圖
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BN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BN納米片的存在（圖2f）上述表征結果證明材料復合膜保持疏水性的多孔結構，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膜的表面微觀結構與濕潤性。圖3a顯示膜表面的高度變化，隨著BN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，材料結構決定水分蒸發(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??；圖4a所示，F(xiàn)PU/BN隨著BN納米片的增加，膜的孔隙率由46%逐漸增加到62.5%，相應微孔膜傳濕速率（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：在熱傳導過程中，F(xiàn)M-3表面溫度升高更快，這是因為FM-3超高的熱導率而表現(xiàn)出快速的熱響應；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，密閉室與進氣管相連，發(fā)現(xiàn)注入的空氣很容易通過膜，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在加熱過程中的紅外熱像圖（b）表面溫度隨FM-1、FM-2和FM-3加熱時間的變化（c） FPU/BN膜的防水透氣性演示
有了這款“行走的空調(diào)”，隨時隨地享受涼爽舒暢的感受，無懼高溫，無畏流汗！并且，研究人員說，這款新型膜不僅可用于個人降溫，而且還可用于太陽能收集，海水淡化和電子設備的熱管理。
