被寒潮冻哭后,流泪整理了这篇保暖知识

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  2021年年初的寒潮,让我们深切地体会到被寒冷支配的恐惧。17日早晨,北京迎来了自1966年之后气温最低值——零下19.6℃

  天寒地冻,衣物防寒第一步。为了保暖,大家都裹上了羽绒服或者各种动物毛皮制成的冬服。

  

  天冷的时候,身体的热量都去了哪?

  当外界环境温度比较低时,身体的热量会通过热传导、热对流、热辐射等方式转移到环境中,人会感到冷。

  热导率,是指单位面积、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量。接触人体的材质热导率数值越大,人体通过热传导方式被带走的热量越多,人越冷。

  在人体周围,吸收热量后的空气,密度降低而自动上升,旁边的冷空气补充其空位,形成对流能带走身体的大量热量。

  相较于热传导和热对流,热辐射更高深莫测一些。

  每个发热体都会向四周辐射电磁波,从而实现热的传播,这种方式更多地体现在微观领域,即晶格的震动就会产生辐射。

  在正常体温条件下,人体会发射7μm——14 μm波长范围内的中红外射线,以这种方式进行的热量耗散甚至占到室内环境下人体热量耗散总量的50%以上。

  羊毛、羽绒为什么能保暖?

  想要保暖,就需要阻断热传导、减弱热对流、锁住热辐射能量。而羊毛、羽绒材质刚好能发挥这几点作用。

  羊毛和羽绒的热导率一般都比较低,能降低人体和环境之间的热传导速率。

  其实,相比羊毛、羽绒,静止的空气热传导率更低。羊毛纤维较轻、较细,其较高的中空微观结构可以固定静止的空气,从而降低热量向环境传递。羽绒,包括鸭绒和鹅绒,均为呈散射状的半球形的绒朵,其比表面积很大,黏附静止空气的表面积也大,当静止空气被身体释放的热量加热以后,保暖的空气保温层便会包覆身体,使我们觉得很温暖。

  

  左为鸭绒绒朵,右为鹅绒绒朵(图片来源:参考文献2

  需要注意的是,羊毛和羽绒的微观结构,都有利于在纤维间夹持较多的空气,但是当空气层厚度超过一定值以后,过多的空气会开始流动,形成热对流,增加了热量的散失。因此,低温环境中,热对流使得人体周围的空气一直是冷的,释放的热量在加热冷空气——热空气上升——加热冷空气的过程中耗散,人就会觉得冷。

  

  保暖性与空气厚度的关系 (图片来源:参考文献3

  除了降低传导率,减少对流,降低热辐射也是保暖的一种策略。

  20世纪60年代,美国宇航局曾在织物中加入铝钛合金箔而研制出适合宇航员在太空中穿的“金属棉”。人体发射的远红外辐射(散热方式)可以被铝钛金属箔反射回人体,使织物的保暖率提高70%——80%

  无论是羊毛,羽绒,还是皮毛,人类的保暖策略大都是从动物那里获得的灵感。

  生活在极地环境具有的优异的抗寒保温能力的北极熊的保暖策略集阻断热传导、减弱热对流、增加自身热辐射于一体。

  北极熊的毛发是中空的,有利于固定静止的空气;厚厚的毛皮可以有效地反射红外辐射,甚至在红外摄像机下也看不到它们。

  

  北极熊的中空毛发(b剖面,c截面)(图片来源:参考文献 4

  以北极熊的毛发为灵感,研究人员制备了一种仿生纤维,兼具优异的保温性能和机械强度。用这种纤维编织而成的织物,具有优异的绝热性质,可以让小兔子在红外相机下隐身。

  

  穿上仿生纤维的小兔子在红外相机下隐身 (图片来源:参考文献 4

  黑科技让保暖更有效

  自然可以激发保温科技的创新,科技的创造也可以推动保温材质的发展。近年来,气凝胶成为先进保温材料的典型。

  气凝胶是一种纳米级多孔固态材料,密度极低,含气量可高达99.8%。一般情况下,气凝胶很脆弱,不适合做保暖材料。但研究人员利用一种特殊的硅酸盐,研制出了一种薄层结构陶瓷纳米纤维气凝胶,热导率低、有弹性、变形性较好,还能防火。

  

  防火的气凝胶 (图片来源:参考文献 5

  具有绝热性能的气凝胶在工业和日常生活中的作用不言而喻。因为具有大量空气,且气凝胶内部的孔尺寸较小,固定的空气更倾向于处在静止的状态。这导致了气凝胶有和空气类似的低热导率,这一优异性质完全可以应用于制造保温衣物,而现在市场上也确实存在利用这种黑科技的服饰。从理论上来说,一层薄薄的气凝胶复合织物或者仿北极熊毛发织物,可以达到羽绒的保暖效果。

  对于保暖的策略而言,进行热辐射管理同样吸引眼球。研究人员设计了一种纳米多孔聚乙烯(nanoPE)复合碳/铜薄膜的三明治结构织物,成功控制人体的热辐射实现了保温效果。

  在给定温度条件下,辐射率在数值上等于吸收率。织物中碳层对于人体辐射所在波长的中红外线的辐射率约为0.9,也就是说碳层可以吸收大部分人体辐射的中红外线,并使其升高温度。

  研究人员在人工皮肤上对该织物的保温性能进行测试,结果证明对于恒温31℃的表皮,普通的运动衫可使其保持36.9℃的温度,而复合织物的碳层面覆盖后可使其上升至40.3℃,妥妥的自发热暖宝宝。

  值得一提的是,这种织物在反面覆盖表皮时(即碳层面向外界环境),人造皮肤的温度为33.8℃。这主要是因为铜层的辐射率较低(约为0.3),对身体辐射的中红外线吸收较弱,因此在一定程度上起到了降温的作用。

  

  纳米多孔聚乙烯复合碳/铜薄膜织物 (图片来源:参考文献 6

  除了被动的绝热,主动的加热对于新型保暖衣服的发展也是极为重要的。基于这种理念,研究人员将碳纳米管分散在上述仿生纤维材料中,制备了一种复合的电加热纤维,仅需要施加5V电压30秒,温度就可以提高12℃。其实,利用碳纳米管纤维来实现电加热的策略由来已久。当电流通过高度取向的碳纳米管薄膜或者纤维时,会产生温度升高的效果,在真空状态下甚至可以升温至1000——2000℃。通过调节电流大小,可以线性地调节温度升高的幅度。

  目前市场上的一些服装产品便是基于碳纳米管薄膜的电热效应。机理说来简单,但是真正实现应用却并不容易。研究人员需要解决电导率、电热转化率、控温性、耐弯折水洗等各种材料性能及安全问题。

  科技到产品的转化,往往凝聚着研究人员极大的心血。也只有如此,才可以用科技赋能生活的点滴改变。

  

  不同电流下碳纳米管的红外图像,电流越高,温度越高

  (图片来源:参考文献 7

  明白了保温机理,大家制定保温策略便更游刃有余。衣柜里现有的羊毛衫、羽绒服,叠穿起来已不仅仅是时尚问题,还是利用静止空气层来保温的科技问题,甚至我们可以期待以后先进保温材料给冬服带来的变化。

  总之,在一波一波的的寒潮中,希望大家都能好好保暖鸭!

  参考文献:

  1. 冬服保暖功效学原理及保暖材料的发展现状与前景.

  2. 鹅、鸭绒纤维形态结构差异及对保暖性能的影响.

  3. 服装的保暖性能测试标准和评价标签.

  4. A Thermally Insulating Textile Inspired by Polar Bear Hair. https://doi.org/10.1002/adma.201706807.

  5. Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity.

  http://advances.sciencemag.org/content/4/4/eaas8925.

  6. A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling. http://advances.sciencemag.org/content/3/11/e1700895.

  7. Electro-Induced Mechanical and Thermal Responses of Carbon Nanotube Fibers. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201305123.

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