个人热管理（Personal ThermalManagement, PTM）指的是通过衣物对人体进行热量调节达到人体热舒服的目的。相较传统的建筑空调，人体热管理由于管控空间范围大大缩小，降低了能源消耗，同时可以针对使用者身体需求设定不同的目标温度，满足个性化的热舒适性，还不受空间限制，应用场合多样化，因此人体热管理技术近年来吸引了大量研究者的注意，取得了令人瞩目的进展。鉴于此，华中科技大学罗小兵教授、胡润副教授团队与国内外科研单位合作，对目前个人热管理研究领域中的工作进展进行了综述总结，并指出了未来的发展方向。1. 热舒适性的基本定义
热舒适性一般涉及到生理学、心理学等概念，因此很难准确地量化，在研究个人热管理，通常采用皮肤温度来替代量化标准。为进行个人热管理分析，首先需明确“人体—环境”系统的初始条件。如图1A所示，人体进行热交换主要有六个途径：太阳辐射、代谢产热、热传导、热对流、热辐射、蒸发散热。衣物作为人体与外界环境进行热交换的中间载体，既是人体微环境的边界条件，也是人体的第二皮肤，所以在人体热管理的研究的重点关注对象。图1 人体热交换途径以及辐射个人热管理织物的工作原理2. 新兴材料与策略
传统的个人热管理衣物主要有散热用的液冷服、空冷服、相变材料服，以及加热用的电加热服和化学加热服。但该类衣物由于其重量、工作时间以及安全性问题局限性很大。与传统方法相比，新兴的个人热管理方案以及材料近年来发展迅速，研究主要集中在两个方面：基于热传导以及热辐射原理的被动热管理技术，和基于柔性导电材料与热电材料的主动热管理技术。2.1 降温/加热织物
如图1B、C所示，辐射人体热管理织物通过调节织物不同频率段的发射率以及吸收率可以做到有效散热或保温的效果。对于散热织物来说，它可以反射可见光波段的太阳辐射，同时发射中红外波段的人体辐射从而实现散热效果；对于加热织物来说则正好相反，织物通过吸收太阳光辐射而反射人体辐射实现保温加热的效果。如图2A所示，2014年，Cui等人通过将溶液处理的银纳米线涂在普通的布料上，阻挡人体向外辐射，实现了织物加热的效果。如图2B所示，Chen等人将辐射制冷与织物联系起来，提出了一个红外透明可见光不透明（ITVOF）的降温织物的概念。为了提高降温织物的可实用性，Cui等人提出了将纳米多孔聚乙烯（nano-PE）作为一种ITVOF备选材料，由此不仅增强了织物的降温效率还提高了织物的穿着舒适度，并进一步做了许多改进提高降温效果和应用场合多样性，如图2所示。图2 降温/加热织物的研究进展
2.2 降温/加热纺织品
虽然PE材料在人体热管理织物中大放异彩，但是该材料的透气性以及接触舒适性较差，制造出来的衣物穿着时会有较为严重的不舒适感。受到针织毛衣的启发，有研究者尝试通过编织或纺织的方法将PE等高分子微纤加入纺织品中。由此在保证了纺织衣物降温、加热功能的同时提高了衣物的透气性、拉伸性以及穿着舒适性。如图3A所示，Cui等人采用纤维挤压工艺制备了nano-PE纤维，然后通过工业针织/织造工艺高效地获得了nano-PE纺织品，大大提高了穿着的舒适度。如图3B所示，Liu等人利用气凝胶类空气的低热导率特性，实现了在恶劣环境下的个人隔热。Bai等人从北极熊的毛发中获得灵感，并通过“冷冻纺丝”的方法实现了多孔多孔结构仿生纤维纺织品的大规模制造，如图3C所示。2.3 彩色纺织品
除了穿着舒适度外，颜色也是衣物的一个重要的属性。然而，要同时有效地控制红外光谱中的热发射，又要保持纺织品的色彩是十分困难的。针对这一问题，Cui等人做出了突破性的工作。如图4所示，通过无机颜料纳米颗粒浸渍在nano-PE基体中，得到了有色纤维织物，该织物在具有良好透气性拉伸性的同时，仍可对人体进行有效降温。2.4 动态纺织品
以上的人体热管理材料以及方案都是被动或者静态的，动态温控纺织品相对于静态来说其温度可调控范围更大可适用于多种不同的场景，大大提高了服装系统的机动性以及功能性。受到鱿鱼皮的启发，Leung等人制造了一种可调节温度的纺织材料，根据布料被拉伸程度可调节人体热辐射，如图5A所示。Zhang等人利用碳纳米管壁制造出了动态织物，根据纺织品纱线的膨胀或收缩情况实现有效的动态温度管理，如图5B所示。2.5 相变材料纤维基纺织品
向纺织品中均匀加入相变材料可以有效提高衣物的热舒适性，与传统的在衣物中添加一个体积较大的相变材料不同，相变材料纤维基纺织品是向纺织品整体均匀添加相变材料，由此大大减小的人体热管理衣物的重量，提高了穿着舒适性。如图6A所示，Lu等人通过同轴静电纺丝法制备了聚丙烯腈包封的石蜡纳米纤维，其纺织品表现出了良好的吸热性能。如图6B所示，Ju等人将聚氨酯封装到氧化锡复合微管中，制成了一种热辐射屏蔽织物。图6 相变材料纤维基纺织品结构及其效果
2.6 金属纳米纤维复合薄膜/纺织品
在某些极端环境下比如极地和山区，衣物被动加热所提供的热量是远远不够的。因此需采用金属电极通电的主动加热法，为适应衣物的材料柔韧性与可拉伸性，一般采用金属纳米线或金属纤维作为加热电极。如图7A所示，Jang等人将超长的银纳米纤维嵌入聚酰亚胺与聚对苯二甲酸乙二醇酯高分子聚合物中，形成大面积连续网络的金属纤维可穿戴式加热器。Choi等人设计了一种由高导电性材料银纳米线和弹性体纳米复合材料构成的柔软的、可伸缩的加热元件，如图7C所示。由于洗涤要求，电加热衣物具有良好的防水性也是十分重要的，图7D展示了尼龙布料上基于防水材料、银纳米线和形状记忆聚合物的针织或机织物组成的可穿戴加热器。2.7 石墨烯和碳基材料
石墨烯由于其优越的化学/机械稳定性、低电阻、高导热、重量轻、高柔韧性和可扩展性等优点已成为了人体热管理的理想材料。如图8A所示，Weitz等人将结构色和被动冷却的概念结合起来，巧妙的应用在了一种结构色膜和还原的石墨烯氧基丙基甲基丙烯酸钾盐基板上，实现了人体的降温和加热功能。上述应用石墨烯仅作为单体材料，并未形成织物，为了真正的将石墨烯用于服装，Gao等人通过捻丝法制备了石墨烯纤维，然后将其制成石墨烯薄膜加热器，如图8C所示。2.8 热电器件
基于塞贝克效应，热电器件可以将热能转换为电能，同时基于帕帖尔效应，电能同样可以转化为热量或者冷量。除此之外，热电器件还具有尺寸小、可伸缩性强、无制冷剂等优点，这使得它在人体热管理领域具有广阔的应用前景。如图9A所示，Lee等人制造了一种以电纺聚合物纳米纤维芯为基础，涂覆有n型以及p型半导体包层的柔性热电织物，并将其捻成了柔性纱线。Hong等人研制了一种工作时间长，降温范围高的可穿戴热电器件，并成功将其集成到了衣物中用于人体皮肤温度的调节。2.9 汗液管理织物
现今大多数人体热管理研究主要都集中于如何有效控制热量方面，而在某些潮湿、炎热人体容易出汗的情况下，若不能将身体产生的汗液有效移除，人体仍然会产生炎热以及黏着等不舒适的感觉。受到鸟类喙部定向水运输的启发，Dai等人设计了一种亲水性硝化棉和疏水性聚酯组成的Janus纺织品，其结构中拥有具有非对称亲水性锥形微孔用于定向输送汗液，使皮肤保持干燥凉爽。3. 总结与展望
全文对用于人体热管理的新兴材料及方案进行了详细地综述，有助于我们了解其现状，理解其机制，并为更好的未来进行探索。同时作者将高导热聚合物/纤维、生理/心理热舒适性数据分析以及智能人体热管理材料和方案作为三个最突出研究方向，以进一步促进未来可穿戴式人体热管理方案的研究、开发和应用。文献链接：Run Hu*, Yida Liu, Sunmi Shin, Shiyao Huang, Xuecheng Ren,Weicheng Shu, Jingjing Cheng, Guangming Tao, Weilin Xu, Renkun Chen andXiaobing Luo*, Emerging Materials and Strategies for Personal ThermalManagement, Advanced Energy Materials, 1903921, 2020. https://doi.org/10.1002/aenm.201903921![]()
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