01 研究背景

用于人体和居住环境热管理的传统加热和冷却技术产生大量的能源消耗。太阳能加热和辐射冷却正在成为一种可持续的热管理技术，而不需要额外的能源消耗。

另一方面，由于材料中化学键的随机旋转和振动跃迁会引起无处不在的热辐射。基于金属氧化物、半导体、天然材料和聚合物的辐射冷却技术已经被大量提出，作为满足建筑冷却对化石燃料大量需求的解决方案。然而，这些技术对多变的天气条件影响单一，无法实现双向温度调节的制热和制冷功能。因此，开发一种温度智能自适应热管理技术来应对波动的环境条件至关重要。

本文提出了一种创新的自适应智能织物(SF)，它装载了还原氧化石墨烯包裹的热致变色微胶囊(G—TM)和硫酸钡(BaSO4)微纳米颗粒。G- TM在低温下呈现黑色，实现了对太阳辐射的高吸收，实现了高效加热。相反，在高温下，BaSO4会转变为白色，并反射大部分太阳辐射，从而实现高光学调制。BaSO4在大气透射窗口(即8至13 μm)中具有高发射率，从而实现辐射冷却。SF具有优异的低温太阳能加热和高温辐射冷却能力，在服装、帐篷、交通、鞋类、建筑、旅游等领域有着广泛的应用。

02 制备及表征

首先通过在织物表面喷涂功能材料制成自适应智能织物(SF)。

首先在微胶囊（TM）表面上修饰2,2′—氮基(2—甲基丙脒)二盐酸(AAPH)表面。由于AAPH带正电荷，它可以被带负电荷的氧化石墨烯(GO)很好地包裹。

之后，将G-TM、BaSO4和聚氨酯分散体按比例混合，以制备前驱体分散体。然后将分散剂喷洒到原始织物上，然后晾干。最后，采用紫外光还原法还原氧化石墨烯，制备了抗紫外功能材料。

通过光学图像和扫描电镜(SEM)图像显示，功能材料被均匀加载在纤维表面。结果表明，该功能织物成功制备。功能性织物表面保留了69.8%的透气性(和出色的热管理性能。

对织物进行了标准化洗涤实验，证明了它们在色牢度、光学性能和透气性方面的长期稳定性。在冷却和加热两种模式下，使用积分球测量涂层的可见吸光度，可见吸光度可调至80%以上。两种模式下的地表发射率均为0.94。这些优点使得SF可以在冷却模式下提供辐射冷却，在加热模式下有效地将太阳能转化为热量。这些结果表明，SF具有良好的温度自适应热管理能力。

03 辐射冷却和太阳能加热

研究了2023年11月1日中国北京12小时内SF的日间辐射冷却性能。在两个热箱中平行测试了尺寸为100 mm × 100 mm的SF，以直接监测辐射冷却温度以及反馈控制加热装置的冷却功率。该装置包括一个丙烯酸外壳，上面覆盖一层铝箔，以反射周围建筑的辐射，一个泡沫绝缘的样品台，加热器和一层红外透明防风聚乙烯薄膜。（SF-x中x代表的意义为通过控制材料配比得到的不同Tc的材料，Tc为x°C的热致变色材料命名为SF-x）

辐射冷却测试方案：首先比较SF-5和纯BaSO4涂层，从图4C可以看出，SF-5和纯BaSO4具有相似的冷却性能。在强烈的阳光直射条件下， SF-5和纯BaSO4涂层分别比环境温度低8.2°和10°C。此外，在阳光充足的正午，随着光强的增加，辐射冷却装置的环境温度和SF温度都有所增加，并显示出良好的温度跟踪性能。计算表明，SF的相应冷却功率在50至80 W m−2之间。结果表明，SF在高温下具有良好的辐射冷却能力。

辐射冷却原理：在高温下，热值变色胶囊会变成白色，反射大部分辐射。同时BaSO4在大气透射窗口(即8至13 μm)中具有高发射率，从而实现辐射冷却。

太阳能加热测试方案：测试装置包括太阳模拟器、热电偶、样品和冷杯通过比较SF-25和BaSO4涂层在不同光强下的温度变化，可以发现SF-25由于颜色为黑色，在低温下表现出更高的阳光吸收率。在不同光强下，SF的高吸收量导致其温度高于BaSO4涂层。光照强度大于200w m−2时，温度高于人体舒适温度19℃。在300 W m−2的光强下，SF-25在12分钟内迅速升温到20°C以上，这表明与BaSO4涂层相比，SF具有更好的低温热管理能力。

不同的SF具有不同的温度调节能力，这为各种应用场景下的低温加热应用拓展了更多的空间，说明SF具有广阔的应用潜力。

04 户外应用测试

为了评估SF在实际场景中的自适应热管理能力，以SF- 25为基材，通过切割和缝纫工艺制备了具有热管理功能的热致变色智能服装(TMSG)和热致变色智能帐篷(TMST)。

该服装在低温和高温下分别呈现黑色和白色的颜色状态，通过太阳能加热和辐射冷却来实现良好的人体热管理。我们进一步在服装内部放置温度传感器，测量TMSG的热管理性能。当环境温度为15°C时，初始服装在暴露在阳光下之前显示出接近环境的温度。然而，当暴露在阳光下时，衣服的表面能够迅速升温到20°C。红外热像显示，TMSG的温度高于环境温度。在持续的阳光照射下，即使环境温度高于33℃，TMSG内部温度也能控制在26℃左右，这可能是由于TMSG表面的太阳加热和辐射冷却之间的平衡。TMSG展示了创建有效热舒适区的强大能力，展示了其卓越的人体热管理能力。

图5：热致变色智能服装在不同温度下的颜色变化

此外，当TMSG暴露在太阳下10天时，它保持了良好的热管理性能，内部温度在20°到26°C之间，而周围温度在18°到33.4°C之间。这些结果强调了即使在长时间的阳光照射下，TMSG的热管理性能的稳定性和耐久性。

综上所述，开发了一种双模态光子纺织品，能够在大的环境温度波动下进行高温辐射冷却和低温太阳能加热，以实现良好的热管理。此外，基于SF制备的TMSG和TMST为人体和生活环境提供了19°~ 28°C的热舒适环境，这表明纺织制备的服装和帐篷具有温度适应性和全天候热管理的能力。SF具有制备简单、可扩展性强、热管理优异等优点，在人体热管理和生活环境热管理方面具有巨大的应用潜力。