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  陽(yáng)光是人類(lèi)生存必不可少的條件之一，但過(guò)度照射會(huì)對(duì)人體造成傷害，甚至?xí)l(fā)皮膚癌。為了方便人們更及時(shí)的避免太陽(yáng)輻射的傷害，一種簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)太陽(yáng)光強(qiáng)度的方法有望應(yīng)用于日常生活中。通過(guò)特定波長(zhǎng)光的照射下，光致變色紡織品可發(fā)生變色，然而，光致變色面料的應(yīng)用和推廣受到常規(guī)印染工藝下光致變色材料對(duì)纖維親和力差的限制。因此，如何采用相對(duì)簡(jiǎn)單的工藝制備具有高光學(xué)對(duì)比度和靈敏光強(qiáng)監(jiān)測(cè)性能的變色紡織品，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體皮膚的防護(hù)，仍存在挑戰(zhàn)。

  為了解決這個(gè)問(wèn)題，王潮霞教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在滌綸織物表面印刷太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的熱變色漿料，成功地制備了具有光強(qiáng)監(jiān)測(cè)功能的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)熱變色織物，建立了光照強(qiáng)度與織物溫度以及織物顏色三者之間的響應(yīng)關(guān)系。該織物在太陽(yáng)照射下，顏色由環(huán)境溫度(21.5 ℃)下的橙色變?yōu)榭梢?jiàn)的綠色(38.0 ℃)，這歸因于光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量。一旦光源關(guān)閉，溫度迅速下降到環(huán)境溫度，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)熱變色織物(SDTCF)的顏色立即回復(fù)到最初的橙色。結(jié)果表明，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)熱變色織物可根據(jù)顏色變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度，避免過(guò)度的太陽(yáng)輻射對(duì)人體皮膚造成的傷害，為人體保護(hù)和健康管理提供依據(jù)。

圖1 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)熱變色織物的輻射光強(qiáng)監(jiān)測(cè)性能

圖2 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)熱變色織物表面太陽(yáng)光耗散示意圖(a); SDTCF在200~ 600 W m^-2輻照強(qiáng)度下的光熱轉(zhuǎn)換(b); SDTCF的最高溫升(c); (d) SDTCF20 min內(nèi)每1 min記錄的紅外圖像。SDTCF (e)的蓄熱; 氙燈(500 W m^-2) 照射的SDTCF示意圖(f); 輻照光密度與輻照距離和輻照角的線(xiàn)性擬合(g); SDTCF在不同距離和照射角度(h)下的溫度變化。

  當(dāng)入射的陽(yáng)光照射到SDTCF上時(shí)，由于SDTCF表面存在太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)的熱變色漿料，一小部分陽(yáng)光立即被反射。進(jìn)入的陽(yáng)光被炭黑粒子捕獲，并以光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量的形式在纖維內(nèi)被吸收或消散，有助于充分利用入射的陽(yáng)光（圖2）。同時(shí)，由于具有空氣層結(jié)構(gòu)的聚酯織物結(jié)構(gòu)致密，表面粗糙，殘留入射光被多次反射進(jìn)一步吸收和耗散。隨著輻照強(qiáng)度從100 W m^-2提高到600 W m^-2, SDTCF的平衡溫度由32.2 ℃快速升高到52.6 ℃，表現(xiàn)出高效的光熱轉(zhuǎn)換性能。

圖3 (a) SDTCF (8cm ×8 cm)在太陽(yáng)照射下的光熱變色行為; 環(huán)境溫度對(duì)SDTCF變色性能的影響(b); SDTCF的Lab、色差(c)與CIE 1931色度圖(d)的關(guān)系; (e) SDTCF在不同輻照強(qiáng)度下的顏色深度。(f)在太陽(yáng)照射下和無(wú)太陽(yáng)照射下每30 s測(cè)量一次的SDTCF圖片。

視頻1 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)熱變色織物的光熱變色過(guò)程

  室溫下，SDTCF呈橙色，在500 W m^-2光強(qiáng)作用2 min后顏色逐漸變?yōu)榫G色(圖3)。當(dāng)光源關(guān)閉后，SDTCF溫度迅速冷卻到環(huán)境溫度，并在2 min內(nèi)呈現(xiàn)最初的橙色， 表明SDTCF獲得了高的光學(xué)對(duì)比度和敏感的變色性能。通過(guò)在5℃、10℃、15℃和27℃的環(huán)境溫度下測(cè)試了SDTCF的變色性能發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度對(duì)SDTCF的變色性能沒(méi)有影響。其次，隨著加熱和冷卻循環(huán)次數(shù)的增加，SDTCF在太陽(yáng)照射下的平衡溫度保持不變，說(shuō)明其具有穩(wěn)定的光熱轉(zhuǎn)換性能，為實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定光熱變色提供條件（圖4）。因此，SDTCF的制備在基于光熱轉(zhuǎn)換器件的變色監(jiān)測(cè)輻照光強(qiáng)方面具有潛在的應(yīng)用前景。

圖4 SDTCF在100次反復(fù)加熱-冷卻循環(huán)下的變色特性, 色深(a), CIE 1931色度圖(b), 反射率(c), Lab值, 色差(d); (e) SDTCF在100次反復(fù)加熱-冷卻循環(huán)下的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)。

  相關(guān)工作近期以“Solar-driven thermochromic fabric based on the photothermal conversion for light intensity monitoring”為題，在期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表。江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院博士生葛方青為該論文的第一作者，江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院王潮霞教授為通訊作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1TA04073A