在冬天的户外活动中，服装的保暖性和柔韧性至关重要。柔性可穿戴加热器在维持人体保暖舒适性方面发挥着关键作用。现有的柔性可穿戴加热器大多需要依靠外部电源供电，能量转换效率较低，造成能源浪费的同时，还会影响加热效果和使用时长。部分加热器还缺乏有效的温度反馈机制，无法实时监测温度，导致使用者无法方便快捷地获取温度信息，从而引起由于局部温度过高而导致皮肤烫伤等安全问题。此外，既保证柔性可穿戴加热器具有良好的柔韧性以适应人体的各种动作和姿势，又确保其在长期使用和反复拉伸、弯曲过程中保持性能稳定和结构完整仍存在挑战。
针对以上问题，江南大学王潮霞教授和加拿大滑铁卢大学Yuning Li 教授提出了一种温度可视化的光热变色弹性纤维。基于聚苯胺（PANI）和聚多巴胺（PDA）的有效复合，光热材料的光吸收性能得到提升，该纤维呈现出色的光热转换性能，成功解决了柔性可穿戴加热器能量转换效率低的问题，增强了温度调节的灵活性和适应性。通过调节辐照条件，随着表面温度的变化，该纤维展现出显著的可逆变色性能。这一创新特性使用户能够根据观察纤维的颜色变化来实时监测纤维的温度，提高了可穿戴加热器的使用安全性。此外，光热变色弹性纤维显示优异的柔韧性和可拉伸性，确保了可穿戴加热器的舒适性和贴合性。这种可拉伸、色彩鲜艳的光热变色弹性纤维作为一种节能替代品具有巨大前景，有望在智能可穿戴领域找到令人兴奋的应用。
图1为湿法制备光热变色弹性纤维的工艺示意图。通过在PDA中引入PANI纳米材料，拓宽光吸收剂的光吸收波长范围；选用热塑性聚氨酯（TPU）和温敏变色染料分别作为纺丝基材和着色剂，采用原液着色技术，经湿法纺丝制备光热变色纤维。最后，将光热变色弹性纤维收集并织成织物。
图 3 辐照条件对光热变色纤维的光热转换性能的影响随着PDA@PANI纳米颗粒含量的增加，PDA@PANI光热纤维逐渐由浅绿色变为墨绿色；暴露在模拟太阳光下的光热材料面积逐渐增大，宏观上表现为PDA@PANI光热纤维温度的升高。即使 PDA@PANI纳米颗粒含量为0.5 wt.%时，PDA@PANI光热纤维与TPU纤维的温差仍可达到15 ℃，其K/S值仅为0.49（浅色纺织品的K/S范围为0.1-0.5），证明PDA@PANI光热纤维具有浅色性和高效的光热转换性能（图 2）。辐照光强和角度是影响光热织物光热转换性能的重要因素。随着辐照光强从200 W m-2增加到600 W m-2，经辐照600 s后光热变色纤维的平衡温度从20.0 ℃（环境温度）分别上升到30.5、35.1、40.2、47.0和51.1 ℃（图 3）。这是因为当光热变色纤维暴露在辐照光强越高的模拟太阳光下时，其所吸收的太阳能也就越多，从而产生的热能越多，因此光热转换性能增强。通过调节辐照条件，可以实现对光热变色纤维表面温度的有效调控。
基于PDA/PANI 纳米粒子的显著的光热转换性能，在模拟太阳光辐照下，光热变色纤维的表面温度随之变化，从而触发其可逆变色行为。随着辐照时间的延长，光热变色纤维的K/S值急剧下降；经辐照60 s后，其K/S值从3.5降低到0.7，表明色深发生明显降低，间接说明此时光热变色纤维系统中由光吸收剂光热转换而产生的热量高于温敏变色染料发生变色所需的热量（图 4）；关闭光源后，伴随着光热转换作用的减弱，光热变色纤维能够快速地从白色变回原始的红色，表明其具有灵敏且高光学对比度的可逆变色性能。因此，通过建立辐照条件-表面温度-颜色之间的响应关系，能够实现对光热变色纤维温度的实时监测。与原始状态下的试样相比，在100%拉伸应变下的光热变色纤维的平衡温度发生略微的降低，随着拉伸应变的增大，其平衡温度保持稳定（图5）。当拉伸应变为500%时，光热变色纤维的平衡温度仍能达到34 ℃左右，最大温升约13 ℃，验证了光热变色纤维具有优异的拉伸稳定性。
为了更直观地探究光热变色纤维在防寒保暖中的应用，我们将其织造成光热变色弹性织物作为可穿戴加热器穿戴在小熊身上（图 6）。在600 W m-2的模拟太阳光下辐照600 s，小熊身上的光热变色弹性织物呈现显著的光热转换性能，平衡温度达75.7 ℃（环境温度，22.3 ℃），最大温升为53.4 ℃。同时，光热变色弹性织物依然保持灵敏且高光学对比度的可逆变色性能；光热变色弹性织物维持良好的可拉伸性能，伸长率可达300%；揭示了通过湿法纺丝法制备光热变色纤维的可行性，以及光热变色弹性织物在温度可视化纺织品和可穿戴加热器等领域的应用。相关研究成果以“Color tunable photo-thermochromic elastic fiber for flexible wearable heater”为题发表在国际学术期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》（IF 23.2）上。江南大学纺织科学与工程学院王潮霞教授和加拿大滑铁卢大学化学工程系Yuning Li 教授为论文通讯作者，江南大学18级博士研究生葛方青为论文第一作者。感谢国家自然科学基金和中国留学基金委等项目论文的资助。
原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-024-00994-4
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