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一种可穿戴气凝胶复合膜及其制备方法

1.本发明属于复合材料技术领域，涉及气凝胶复合膜，尤其涉及一种可穿戴气凝胶复合膜及其制备方法。
2.背景材料
3.维持正常的体温是人类生存最基本的需求之一，能够促进人体内环境新陈代谢过程中的能量交换和物质代谢。目前，为了营造舒适的生活环境，人们利用空调和地暖等耗能设备调节室内温度。然而，随着人们生活水平的日益提高，控温控湿设备的需求量不断增加，造成不可再生能源的大量消耗，从而导致资源短缺和环境污染等一系列问题，进一步加剧了我国能源危机。据报道，在建筑、工业和交通等领域消耗大量的化石能源，导致世界面临着不可再生能源短缺问题，其中建筑能耗最为突出，占总能耗的37％。因此，除优化各种传统能源的消费结构外，开发新型能源以提高不可再生能源的利用率已成为能源需求和研究的热点。
4.人体热管理是指当人处于极端环境下，为了维持正常的体温需要，依赖于体温调节系统和借助外界控温设备等方式调控体温的过程。人体热管理主要包括散热和保温两种方式。其中，热辐射是人体热量散失最主要的传递方式，占人体总热量传递的40～60％；人体辐射主要集中在8～14μm范围内的中红外波段，被誉为“生命光波”。太阳辐射(0.3～4μm)总功率密度可达1000wm-2
。增加太阳辐射吸收、增强建筑太阳辐射光热转换对于增强低温环境人体热量输入有着积极的作用。此外，气凝胶材料作为隔热保温材料，可以抑制被动能量交换，有利于实现辐射保温。因此，设计可穿戴材料具有光热转换、隔热转换、辐射保温功能集成式热管理材料以实现人体热管理已成为近年来研究的热点。
5.定向排汗是指当人体皮肤分泌大量汗液时，织物将皮肤表面的汗液转移到外界环境的现象。当皮肤分泌大量汗液在皮肤表面时，往往会导致黏糊糊的不适感以及会产生难闻的气味甚至会导致皮肤类疾病。因此，人体皮肤表面的汗液转移十分必要。此外，分级多孔的murray结构和润湿性梯度有利于液体的定向转移，进而实现皮肤表面的汗液定向转移。目前市面上的具有汗液管理的可穿戴材料比较少，大多的材料是具有单一功能的汗液管理材料，难以满足穿戴舒适度。因此，设计多功能的可穿戴材料针对人体微环境调控具有重要意义。
6.本发明利用可穿戴气凝胶复合膜的对人体微环境调控优势，将低表面能高红外反射率辐射保温层和亲水的高太阳光吸收率的光热转换层结合。高红外反射率的辐射保温层可以将人体对外辐射的热量反射回人体，降低人体自身热辐射的散失，而高太阳能吸收率的光热转换层吸收太阳光实现光热转换并与辐射保温层以及气凝胶基底膜的隔热保温层相结合实现集成热管理，调控人体微环境的温度。低表面能的辐射保温层具有疏水的表面而与亲水的光热转换层形成不对称润湿性结构以及与内侧到外侧的分级多孔murray结构相结合，有利于皮肤表面汗液的定向转移，从而实现对人体微环境的湿度调控。湿度调控和温度调控的双重结合，实现对人体微环境的调控。

技术实现要素：

7.针对现有技术中存在不足，本发明的目的是以气凝胶膜为膜基底，通过在表面附着低表面能高红外反射率纤维和亲水的高太阳光吸收率的材料制备兼具集成热管理和定向排汗的可穿戴气凝胶复合膜，实现对人体微环境温度和湿度调控。
8.技术方案
9.一种可穿戴气凝胶复合膜，由辐射保温层、隔热保温层和光热转换层复合而成，其中，所述辐射保温层为低表面能高红外反射率纤维层，纤维之间的孔隙500～1000nm，辐射保温层的厚度10～50μm；所述隔热保温层是气凝胶基底膜，气凝胶的孔径范围200～500nm，膜厚度100～1000μm；所述光热转换层是经亲水改性后的高太阳光吸收率材料构成，孔隙10～200nm，光热转换层的厚度10～100μm。
10.本发明较优公开例中，所述低表面能高红外反射率纤维为银纳米纤维、铜纳米纤维、铝纳米纤维中的任一种或多种组合。
11.本发明较优公开例中，所述高太阳光吸收率材料为石墨烯、碳纳米管、mxene中的任一种或多种组合。
12.本发明较优公开例中，所述气凝胶膜为纤维素气凝胶膜、再生纤维素气凝胶膜、碳气凝胶膜、凯夫拉气凝胶膜、聚乙烯气凝胶膜中的任意一种。
13.本发明还公开了上述可穿戴气凝胶复合膜的制备方法，包括如下步骤：
14.a)每克低表面能高红外反射率纤维溶解在10～100ml去离子水中，得到高红外反射率纤维溶液；
15.b)将高太阳光吸收率材料按质量比为1:2～1:50投入浓硝酸中80～150℃高温反应2～8h进行亲水改性，然后将每克亲水的高太阳光吸收率材料分散在5～50ml去离子水中，得亲水的高太阳光吸收率悬浮液；
16.c)将直径1～30cm的气凝胶膜固定在抽滤装置上，先将1～15ml亲水的高太阳光吸收率悬浮液抽滤在气凝胶膜的一侧，再将1～20ml高红外反射率纤维溶液抽滤在气凝胶膜的另一侧，40～90℃真空干燥2～8h，即得。
17.本发明的另外一个目的，在于将所制备的可穿戴气凝胶复合膜，应用于人体微环境调控。
18.本发明所制得的复合膜可通过光热转换层、隔热保温层、辐射保温层协同作用实现集成热管理。其亲水改性的高太阳光吸收率层、隔热保温的气凝胶层、表面能高红外反射率层形成了润湿性梯度和分级多孔murray结构，即不对称润湿性结构和分级的孔径分布，这种独特的结构有利于实现汗液的定向转移；而湿度管理与温度调控相结合，通过调控人体微环境以提高穿戴者的舒适度。
19.有益效果
20.本发明为提高人体微环境舒适度为功能导向，设计兼具集成热管理和定向排汗性能的可穿戴材料，不仅可以降低在人体微环境调控方面不可再生能源使用量，而且精准调控人体微环境的温度和湿度避免空间局限性，有利于提高穿戴者的穿戴舒适度。此外，本发明的材料来源广、易制备、环境友好以及节能低碳为节能减排的发展提供了崭新的设计理念和战略思想，也为人体热舒适材料的潜在应用提供经济基础和发展前景。
附图说明
21.图1.实施例1中制备的铜纳米线的sem图，
22.图2.实施例1中制备的再生气凝胶膜的sem图，
23.图3.实施例1中制备的碳纳米管的sem图。
具体实施方式
24.下面结合实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。
25.实施例1
26.一种可穿戴气凝胶复合膜的制备方法，包括如下步骤：
27.a)按每克铜纳米线在20ml去离子水中，得到高度分散的铜纳米线溶液。将碳纳米管按质量比为1：10投入浓硝酸中在120℃下高温反应5h进行亲水改性，随后按每克亲水的碳纳米管分散在50ml中，得高度分散的亲水的碳纳米管悬浮液；
28.b)固定基底膜，将再生纤维素气凝胶膜固定在抽滤装置上，先将8ml高度分散的亲水的碳纳米管悬浮液抽滤在再生纤维素气凝胶膜的一侧，随后将10ml高度分散的铜纳米线抽滤在再生纤维素气凝胶膜的另一侧，然后60℃真空干燥2h，即得到可穿戴气凝胶复合膜。
29.上述步骤中所描述的再生纤维素气凝胶膜的厚度为400μm，其直径为8cm，其中表面抽滤的亲水的碳纳米管的厚度在60μm，另一侧附着的高度分散的高红外反射率的铜纳米线的厚度为50μm。
30.从图1中可以看到，铜纳米线之间的空隙平均在600nm左右，且表面平滑，使得铜纳米线侧的红外反射率更高。
31.从图2可以看出，再生纤维素气凝胶膜的孔隙在400nm左右，且孔隙分布比较均匀。
32.从图3可以看出，经亲水改性的碳纳米管分散均匀，且孔径范围为100nm左右。
33.以二水合氯化铜为铜源，通过水热法、离心和超声制备高度分散的铜纳米线：将1.5g二水合氯化铜，2g无水葡萄糖和7.5g十六胺加入到装有含有50ml去离子水的烧杯中，并在1000rpm转速下搅拌10h使其充分混合获得蓝乳状液，随后将乳液转移到聚四氟乙烯容器中，在烘箱中120℃下反应10h。带反应釜冷却至室温后将反应液转移至10ml离心管，在8000r/min条件下离心5min得到红沉淀。最后分别用70℃去离子水、乙醇、环己烷在9000r/min条件下离心洗涤10min,并多次用环己烷离心洗涤至洗涤液无透明，得到砖红铜纳米线。随后，取1克铜纳米线分散在20ml去离子水中并用超声处理3min，获得高度分散的低表面能的铜纳米线。
34.在模拟太阳辐射下，将所制备的可穿戴气凝胶膜和普通棉布分别置于手背上，利用热电偶记录温度发现，可穿戴气凝胶膜覆盖的地方温度比普通棉布平均高10℃左右，说明相对于普通棉布，样品具有良好的辐射保温效果。将模拟汗液置于铜纳米线一侧发现，模拟汗液在3.5s左右就完全向下转移，而模拟汗液滴落在亲水的碳纳米管测时，模拟汗液向两侧扩散，以上结果说明穿戴气凝胶膜具有良好的定向排汗性能。综上所述，本实施例制备的可穿戴气凝胶膜兼具集成热管理和定向排汗性能，能够调控人体微环境进而提高穿戴者的穿戴舒适度。
35.实施例2
36.一种可穿戴气凝胶复合膜的制备方法，包括如下步骤：
37.a)按每克铜纳米线在30ml去离子水中，得到高度分散的铜纳米线溶液。将石墨烯按质量比为1:15投入浓硝酸中在110℃下高温反应6h进行亲水改性。随后按每克亲水的石墨烯分散在30ml中，得高度分散的亲水的石墨烯管悬浮液。
38.b)固定基底膜，将纤维素气凝胶膜固定在抽滤装置上，并用首先将5ml高度分散的亲水的石墨烯悬浮液抽滤在纤维素气凝胶膜的一侧，随后将15ml高度分散的铜纳米线抽滤在纤维素气凝胶膜的另一侧。然后在55℃的真空干燥箱中干燥1h，即得到可穿戴气凝胶复合膜。
39.上述步骤中所描述的纤维素气凝胶膜的厚度为260μm，其直径为6cm，其中表面抽滤的亲水的石墨烯的厚度在50μm，另一侧附着的高度分散的高红外反射率的铜纳米线的厚度为30μm。
40.在模拟太阳辐射下，将所制备的可穿戴气凝胶膜和普通棉布分别置于手背上，利用热电偶记录温度发现，可穿戴气凝胶膜覆盖的地方温度比普通棉布平均高8℃左右，说明相对于普通棉布，样品具有良好的辐射保温效果。将模拟汗液置于高铜纳米线的一侧发现，模拟汗液在5s左右就完全向下转移，而模拟汗液滴落在亲水的石墨烯测时，模拟汗液向两侧扩散，以上结果说明穿戴气凝胶膜具有良好的定向排汗性能。综上所述，本实施例制备的可穿戴气凝胶膜兼具集成热管理和定向排汗性能，能够调控人体微环境进而提高穿戴者的穿戴舒适度。
41.实施例3
42.一种可穿戴气凝胶复合膜的制备方法，包括如下步骤：
43.a)按每克银纳米线在35ml去离子水中，得到高度分散的银纳米线溶液。将石墨烯按质量比为1:12投入浓硝酸中在140℃下高温反应8h进行亲水改性。随后按每克亲水的石墨烯分散在40ml中，得高度分散的亲水的石墨烯悬浮液。
44.b)固定基底膜，将凯夫拉气凝胶膜固定在抽滤装置上，并用首先将8ml高度分散的亲水的石墨烯悬浮液抽滤在凯夫拉气凝胶膜的一侧，随后将20ml高度分散的银纳米线抽滤在凯夫拉气凝胶膜的另一侧。然后在40℃的真空干燥箱中干燥1h，即得到可穿戴气凝胶复合膜。
45.上述步骤中所描述的凯夫拉气凝胶膜的厚度为330μm，其直径为8cm，其中表面抽滤的亲水的石墨烯的厚度在80μm，另一侧附着的高度分散的高红外反射率的银纳米线的厚度为45μm。
46.在模拟太阳辐射下，将所制备的可穿戴气凝胶膜和普通棉布分别置于手背上，利用热电偶记录温度发现，可穿戴气凝胶膜覆盖的地方温度比普通棉布平均高9℃左右，说明相对于普通棉布，样品具有良好的辐射保温效果。将模拟汗液置于高银纳米线一侧发现，模拟汗液在11.5s左右就完全向下转移，而模拟汗液滴落在亲水的石墨烯侧时，模拟汗液向两侧扩散，以上结果说明穿戴气凝胶膜具有良好的定向排汗性能。综上所述，本实施例制备的可穿戴气凝胶膜兼具定向排汗和集成热管理性能，能够调控人体微环境进而提高穿戴者的穿戴舒适度。
47.实施例4
48.一种可穿戴气凝胶复合膜的制备方法，包括如下步骤：
49.a)按每克铝纳米线在75ml去离子水中，得到高度分散的铝纳米线溶液。将mxene按质量比为1:12投入浓硝酸中在140℃下高温反应8h进行亲水改性。随后按每克亲水的mxene分散在48ml中，得高度分散的亲水的mxene悬浮液。
50.b)固定基底膜，将聚乙烯气凝胶膜固定在抽滤装置上，并用首先将12ml高度分散的亲水的mxene悬浮液抽滤在再生纤维素气凝胶膜的一侧，随后将20ml高度分散的铝纳米线抽滤在聚乙烯气凝胶膜的另一侧。然后在40℃的真空干燥箱中干燥1h，即得到可穿戴气凝胶复合膜。
51.上述步骤中所描述的聚乙烯气凝胶膜的厚度为500μm，其直径为12cm，其中表面抽滤的亲水的mxene的厚度在80μm，另一侧附着的高度分散的高红外反射率的铝纳米线的厚度为50μm。
52.在模拟太阳辐射下，将所制备的可穿戴气凝胶膜和普通棉布分别置于手背上，利用热电偶记录温度发现，可穿戴气凝胶膜覆盖的地方温度比普通棉布平均高8℃左右，说明相对于普通棉布，样品具有良好的辐射保温效果。将模拟汗液置于铝纳米线一侧发现，模拟汗液在10.3s左右就完全向下转移，而模拟汗液滴落在亲水的mxene侧时，模拟汗液向两侧扩散，以上结果说明穿戴气凝胶膜具有良好的定向排汗性能。综上所述，本实施例制备的可穿戴气凝胶膜兼具集成热管理和定向排汗性能，能够调控人体微环境进而提高穿戴者的穿戴舒适度。
53.实施例5
54.一种可穿戴气凝胶复合膜的制备方法，包括如下步骤：
55.a)按每克铝纳米线和铜纳米线混合物在100ml去离子水中，得到高度分散的铝纳米线和铜纳米线溶液。将mxene按质量比为1:40投入浓硝酸中在150℃下高温反应8h进行亲水改性。随后按每克亲水的mxene分散在50ml中，得高度分散的亲水的mxene悬浮液；
56.b)固定基底膜，将碳气凝胶膜固定在抽滤装置上，并用首先将8ml高度分散的亲水的mxene悬浮液抽滤在碳气凝胶膜的一侧，随后将20ml高度分散的铝纳米线和铜纳米线混合液抽滤在碳气凝胶膜的另一侧。然后在80℃的真空干燥箱中干燥1.5h，即得到可穿戴气凝胶复合膜。
57.上述步骤中所描述的碳气凝胶膜的厚度为200μm，其直径为12cm，其中表面抽滤的亲水的mxene的厚度在90μm，另一侧附着的高度分散的高红外反射率的铝纳米线和铜纳米线的混合厚度为40μm。
58.在模拟太阳辐射下，将所制备的可穿戴气凝胶膜和普通棉布分别置于手背上，利用热点偶记录温度发现，可穿戴气凝胶膜覆盖的地方温度比普通棉布平均高12℃左右，说明相对于普通棉布，样品具有良好的辐射保温效果。将模拟汗液置于辐射保温侧发现，模拟汗液在6.8s左右就完全向下转移，而模拟汗液滴落在亲水的mxene侧时，模拟汗液向两侧扩散，以上结果说明穿戴气凝胶膜具有良好的定向排汗性能。综上所述，本实施例制备的可穿戴气凝胶膜兼具集成热管理和定向排汗性能，能够调控人体微环境进而提高穿戴者的穿戴舒适度。
59.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种可穿戴气凝胶复合膜，由辐射保温层、隔热保温层和光热转换层复合而成，其特征在于：所述辐射保温层为低表面能高红外反射率纤维层，纤维之间的孔隙500～1000nm，辐射保温层的厚度10～50μm；所述隔热保温层是气凝胶基底膜，气凝胶的孔径范围200～500nm，膜厚度100～1000μm；所述光热转换层是经亲水改性后的高太阳光吸收率材料构成，孔隙10～200nm，光热转换层的厚度10～100μm。2.根据权利要求1所述的可穿戴气凝胶复合膜，其特征在于：所述低表面能高红外反射率纤维为银纳米纤维、铜纳米纤维、铝纳米纤维中的任一种或多种组合。3.根据权利要求1所述的可穿戴气凝胶复合膜，其特征在于：所述高太阳光吸收率材料为石墨烯、碳纳米管、mxene中的任一种或多种组合。4.根据权利要求1所述的可穿戴气凝胶复合膜，其特征在于：所述气凝胶膜为纤维素气凝胶膜、再生纤维素气凝胶膜、碳气凝胶膜、凯夫拉气凝胶膜、聚乙烯气凝胶膜中的任意一种。5.制备如上述权利要求1-4任一所述可穿戴气凝胶复合膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：a)每克低表面能高红外反射率纤维溶解在10～100ml去离子水中，得到高红外反射率纤维溶液；b)将高太阳光吸收率材料按质量比为1:2～1:50投入浓硝酸中80～150℃高温反应2～8h进行亲水改性，然后将每克亲水的高太阳光吸收率材料分散在5～50ml去离子水中，得亲水的高太阳光吸收率悬浮液；c)将直径1～30cm的气凝胶膜固定在抽滤装置上，先将1～15ml亲水的高太阳光吸收率悬浮液抽滤在气凝胶膜的一侧，再将1～20ml高红外反射率纤维溶液抽滤在气凝胶膜的另一侧，40～90℃真空干燥2～8h，即得。6.一种上述权利要求1-4任一所述可穿戴气凝胶复合膜的应用，其特征在于：将其应用于人体微环境调控。

技术总结

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种可穿戴气凝胶复合膜，由辐射保温层、隔热保温层和光热转换层复合而成，其中，所述辐射保温层为低表面能高红外反射率纤维层，纤维之间的孔隙500～1000nm，辐射保温层的厚度10～50μm；所述隔热保温层是气凝胶基底膜，气凝胶的孔径范围200～500nm，膜厚度100～1000μm；所述光热转换层是经亲水改性后的高太阳光吸收率材料构成，孔隙10～200nm，光热转换层的厚度10～100μm。本发明还公开了所述复合膜的制备方法及其应用，所制得复合膜不仅可以降低在人体微环境调控方面不可再生能源使用量，而且精准调控温度和湿度避免空间局限性，有利于提高穿戴者的穿戴舒适度。本发明的材料来源广、易制备、环境友好以及节能低碳，有望产业化。有望产业化。有望产业化。