极端天气的频繁发生，以及热管理、能量转换、电子皮肤、人工智能等技术的发展，使得人们对恒温热管理、被动无能冷却、焦耳加热等多功能智能可穿戴产品的兴趣日益浓厚。一方面，传统的热管理模式，如利用化石能源对建筑进行供暖或制冷，存在高能耗的缺陷。另一方面，通信技术和可穿戴电子设备的蓬勃发展，使高度集成的电子系统产生更强的电磁辐射，对设备以及人类健康构成威胁。因此，因环保、方便、节能等优点，集主动/被动热管理和电磁干扰屏蔽功能于一体的可穿戴产品，成为研究热点。
近日，华中科技大学瞿金平院士和卢翔副教授以合成的PCC为相变介质，PVA为成纤维树脂，采用连续静电纺丝法制备了聚乙烯醇(PVA)/PCC (P1)相变纤维膜和亲肤聚乳酸(PLA)/(PVA/PCC(P2P1)复合膜。随后，将MXene分散体喷涂到P2P1复合膜的PLA侧，得到多功能Janus型MXene/P2P1 (MP2P1)复合膜。球形PCC串在PVA纤维上，形成稳定的“糖葫芦棒”结构，防止PCC在应用过程中滑动或脱落。
大气窗口中MP2P1薄膜P1侧具有较高的中红外发射率(90.15%)，使可穿戴产品具有优异的辐射冷却性能，从而使物体表面温度降低10.13℃。MXene涂层不仅具有良好的导电性(在夜间或寒冷环境下，只要1.5 V即可达到人体长期的热舒适温度)，而且具有较低的红外发射率，表现出良好的热伪装性能。这表明在户外红外隐身、反监视和安全防护方面的应用中，实现了全天候的热舒适性。此外，受中国传统折纸工艺的启发，柔性Janus型MP2P1薄膜通过简单的折叠技术增强了EMI屏蔽效果。仅增加一倍后，SET值就从50.3 dB增加到87.8 dB，这不仅为屏蔽电磁波免受人体和设备污染提供了便利，而且大大简化了高性能EMI屏蔽材料的制造过程。
综上所述，通过连续静电纺丝工艺和MXene水溶液喷涂技术，获得了具有全季节辐射冷却、低压焦耳加热、热伪装、超高EMI屏蔽性能的Janus型复合薄膜。相关研究成果以“Wearable Janus-Type Film with Integrated All-Season Active/Passive Thermal Management, Thermal Camouflage, and Ultra-High Electromagnetic Shielding Efficiency Tunable by Origami Process”为题目，发表于期刊《Advanced Functional Materials》上。
复合薄膜的结构和温度调节性能
在高压电场作用下，PVA/PCC (P1)薄膜的微观结构类似“冰糖葫芦”，PCC和PVA分别对应“糖葫芦”和“竹签。与传统的涂层粘接方法相比，这种稳定的结构有效地消除了PCC与纤维织物之间的相对滑移。对于PCC负载率为80或90 wt.%的P1薄膜，大量的球形PCC被柔性PVA纤维连接在一起，使薄膜具有良好的弯曲性和相变热管理特性。P180表现出较高的焓效率(96%)、热稳定性和循环稳定性。这为P1薄膜在热管理特别是人体温度调节方面的应用创造了有利条件。薄膜出色的柔韧性和机械强度也是其作为可穿戴产品的穿戴舒适性的关键。P180薄膜可以折叠成“纸飞机”，没有任何裂纹或断裂(图1b)，并表现出合适的抗拉强度和断裂伸长率(图1i;)，保证复合膜的长期耐用性。
图1 a)“糖葫芦棒”结构的P1膜示意图。b) P180膜被折叠成飞机的数码照片。c) P150, d) P160, e) P170, f) P180, g) P190的SEM照片。i) P1薄膜的拉伸应力-拉伸应变曲线。PCC和P1薄膜的j) DSC曲线和k)相变焓。
为了进一步提高其机械强度和穿戴舒适性，将可生物降解的PLA和MXene纳米片依次电纺并喷涂到P1薄膜表面，制备P2P1(图2b)和MP2P1膜。超细PLA纤维不仅为复合膜提供了足够的机械强度(图2l)，而且具有良好的皮肤亲和力(图2a)。在P2P1表面进一步喷涂MXene后，得到MP2P1膜(图2d)仍然表现出优异的柔韧性，可以折叠成无裂纹的“纸鹤”(图2c)，并缠绕在玻璃棒上。
需要强调的是，通过调节P2和P1层的厚度，可以很容易地控制MP2P1膜中的PCC负荷，从而调节其相变热管理能力。从图2e-j可以看出，通过改变P1层的厚度，蓄热密度可以在120-160 J g−1之间调节(图2 k)，为MP2P1薄膜在不同场景下的应用提供了有利条件。MP2P1具有Janus型结构的薄膜具有优异的结构稳定性、特殊的功能和可调的热储能性能，为广泛的应用提供了便利。
图2 a)亲肤P1P2膜的数码照片。b) P2P1薄膜的SEM照片。c) MP2P1折叠“千纸鹤”造型的柔度图。d) MP2P1薄膜的SEM照片。e,f,g)静电纺丝P180不同厚度MP2P1薄膜的SEM图像。C)和Ti)元素的EDS谱，不同厚度复合薄膜的j) DSC曲线和k)焓值。l) P180、P2P1、MP2P1薄膜的拉伸应力-拉伸应变曲线。
复合薄膜的热管理行为
辐射冷却是另一种能源密集型的冷却方法，它向外太空辐射热量并自发冷却物体。在阳光明媚的日子里，在华中科技大学露天屋顶上，测试了复合薄膜的实际冷却效果。将实验装置(图3b)置于阳光下，记录12:44-13:40之间的天气情况。此外，利用太阳能探测器和温度数据采集器对实验现场的太阳辐照度(图3c)和环境温度进行实时监测。令人惊讶的是，P1P2M薄膜的高反射率接近80%(0.3-2µm)，表明P1P2M薄膜可以有效地反射来自薄膜表面的太阳热量。图3 - i展示了P180、P1P2和P1P2M薄膜的实际冷却效果，在烈日下，使物体表面温度分别降低9.41、11.41和10.13°C。
图3 a)测试当天P1P2M膜。b)实验装置示意图；c)试验过程中太阳能密度变化曲线。d)室外冷却机构示意图。测量的e)紫外-可见-近红外区反射率光谱和f)P180、P1P2、P1P2M薄膜中红外辐射区发射率。g) P180、h) P1P2和i) P1P2M薄膜的表面温度和环境温度曲线。j) P180、k) P1P2、l) P1P2M薄膜的热图像及相应的温差模拟图。
优异的导电性(316.4 S cm−1)的MXene在P1P2M薄膜中构建了平滑的导电通道，从而促进了电子的转移。高导电性使P1P2M薄膜成为高性能焦耳加热器，从而使其在可穿戴电子产品领域具有潜力。图4给出了P1P2M薄膜在不同输入电压下的电热转换性能。
图4 a) V-I线性曲线和2.5 v时的数字测试照片。b,c)不同电压下P1P2M薄膜表面温度曲线。d)不同电压下P1P2M薄膜的热照片和电路中连接的P1P2M薄膜示意图。e)电路中连接风车和LED的两张图片。f)电压调节时饱和温度变化曲线。g)第20个周期稳定性测试曲线和h)连接在2.5 V负载电路中的薄膜的第1和第20个周期曲线。i,j)薄膜在2v电路中连接的恒温稳定性测试曲线和热图像。
复合薄膜的电磁屏蔽性能
一般情况下，电导率与正相关电磁干扰屏蔽效能(SE)，因此具有较高的导电性(316.4 S cm−1)，将使P1P2M具有优异的EMI屏蔽性能。受中国传统折纸工艺的启发，将制备好的柔性薄膜折叠一两次，以探索其EMI屏蔽性能(图5a)。P180折叠后在层间紧密结合，而MXene层在两侧均有保护和屏蔽作用。折叠1次或2次的MP2P1薄膜的SET值均超过80 dB，表明折纸工艺增强了EMI屏蔽性能。此外，由于反射损失和吸收损失同时改善，显著改善了折叠MP2P1薄膜的EMI SE。而且在弯曲50次后，MXene不会出现剥落、脱离或相对滑移。该材料优异的导电性和EMI屏蔽性能远高于文献报道。
图5 a)电磁干扰屏蔽膜折纸图。b)单层、c)一次折叠、d)二次折叠MP2P1薄膜的SEM图像以及相应的Ti元素b1、c1、d1)的EDS图像。e)薄膜的平均电磁干扰SE, f) SET曲线，g)不同折叠次数下的屏蔽参数A、T、R。h) MP2P1薄膜的EMI、SE和导电性优于其他文献。MP2P1薄膜在i)屏蔽信号和j)削弱EMW污染中的图片。k)折叠MP2P1膜的屏蔽机理。
总结：
本文采用连续静电纺丝和简单喷涂相结合的方法，制备了具有Janus型结构的相变复合薄膜。所制备的薄膜具有良好的相变温度调节、辐射冷却、焦耳加热、光热、热伪装和电磁干扰屏蔽性能。在高温环境下，高发射率(90.15%)使复合膜具有显著的降低表面温度(10.13°C)的能力，在夜间或寒冷的环境中，只需要1.5 V的电压就可以维持人体长期的热舒适温度。再加上光热性能，以及独特的蓄热能力(141.4 J g−1)和体温调节功能，即使在寒冷或炎热的环境中，都能实现四季热舒适的调节。
此外，MXene的低发射率促进了良好的热伪装效果，这在室外红外隐身、反监视和安全防护应用中，特别是在寒冷环境中具有相当重要的意义。该复合薄膜使用简单的折纸工艺实现了灵活和可调的EMI屏蔽效果。折叠后的薄膜具有高导电性(316.4 S cm−1))和优异的MEI屏蔽性能(87.8 dB)。如上所述，这种独特的Janus型结构复合薄膜具有优异的热管理、电磁屏蔽效果和灵活性，为制造用于人体可穿戴产品提供了策略。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202212776
