(57)【要約】人体の温度を調節する方法は、（１）布地を含む衣料品を提供する工程であって、前述の布地が、ポリオレフィンを含む少なくとも１つの多孔質層を含む、工程；および（２）前述の衣料品を前述の人体に隣接して配置する工程を含む。多孔質層は、平均孔径が５０ｎｍおよび１０００ｎｍの範囲の細孔を有する。人体の熱放散には、伝導、対流、および放射の形態がある。伝統的な布地は、放射による熱損失を調節するように設計されていない。本願はこの問題を取り扱う。
2019512053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の温度を調節する方法であって、
布地を含む衣料品を提供する工程であって、前記布地が、ポリオレフィンを含む少なくとも１つの多孔質層を含む、提供する工程；および
前記衣料品を前記人体に隣接して配置する工程
を含み、
前記多孔質層が、平均孔径が５０ｎｍおよび１０００ｎｍの範囲の細孔を有する、方法。
【請求項２】
前記多孔質層は、波長９．５μｍでの赤外線透過率が少なくとも４０％である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記多孔質層が、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲にわたる可視光線に対する不透明度が少なくとも４０％である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ポリオレフィンが、ポリエチレンまたはポリプロピレンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記多孔質層が第１の層であり、前記布地が、前記第１の層に隣接し、且つ布地材料を含む第２の層をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記布地材料が、綿またはポリエステルのうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記布地が、親水性を示すようになるように化学的に処理されている、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記布地が、平均サイズが１μｍ〜１ｍｍの範囲の孔を画定している、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記布地が、前記多孔質層に隣接した第１のコーティングおよび前記第１のコーティングに隣接した第２のコーティングをさらに含み、前記第１のコーティングの赤外線に関する放射率が第２のコーティングより高い、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
冷却モードにおいて、前記第１のコーティングが前記第２のコーティングよりも前記人体からさらに離れて配置されるように、前記衣料品を前記人体に隣接させて配置する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
暖房モードにおいて、前記第２のコーティングが前記第１のコーティングよりも前記人体からさらに離れて配置されるように、前記衣料品を前記人体に隣接させて配置する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
布地であって、
波長９．５μｍでの赤外線透過率が少なくとも４０％の第１の層；
前記第１の層に隣接した第１のコーティング；および
前記第１のコーティングに隣接した第２のコーティング
を含み、
前記第１のコーティングおよび前記第２のコーティングが、異なる赤外線に関する放射率を有する、布地。
【請求項１３】
前記第１の層が、平均孔径が５０ｎｍおよび１０００ｎｍの範囲の細孔を有する、請求項１２に記載の布地。
【請求項１４】
前記第１の層がポリオレフィンを含む、請求項１２に記載の布地。
【請求項１５】
前記第１のコーティングが前記波長９．５μｍでの赤外線の第１の放射率を有し、前記第２のコーティングが前記波長９．５μｍでの赤外線の第２の放射率を有し、前記第１の放射率と前記第２の放射率との間の差が少なくとも０．４である、請求項１２に記載の布地。
【請求項１６】
前記波長９．５μｍでの赤外線透過率が少なくとも４０％の第２の層をさらに含み、前記第１のコーティングおよび前記第２のコーティングが前記第１の層と前記第２の層との間に位置づけられており、前記第２のコーティングが前記第２の層に隣接している、請求項１２に記載の布地。
【請求項１７】
前記第１のコーティングが前記波長９．５μｍでの赤外線の第１の放射率を有し、前記第２のコーティングが前記波長９．５μｍでの赤外線の第２の放射率を有し、前記第１の放射率が前記第２の放射率より高く、前記第１の層の厚さが前記第２の層の厚さより厚い、請求項１６に記載の布地。
【請求項１８】
布地であって、
ポリオレフィンを含む少なくとも１つの多孔質層；および
前記多孔質層上をコーティングした親水性剤
を含む、布地。
【請求項１９】
前記多孔質層が第１の層であり、前記第１の層に隣接し、且つ布地材料を含む第２の層をさらに含む、請求項１８に記載の布地。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１６年２月１７日に出願された米国仮出願番号第６２／２９６，５４９号の利益を主張しており、その内容は、その全体が参考として本明細書中に援用される。
【０００２】
連邦政府によって支援された研究または開発の関する陳述
本発明は、米国エネルギー省によって授与された契約ＤＥ−ＡＲ００００５３３の下、政府支援でなされた。政府は本発明において特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
背景
室内の暖房、換気および空調（ＨＶＡＣ）は、世界のエネルギー消費量の約１／３を占める。ＨＶＡＣの利用を軽減することは、経済と環境の両方にとって有益であり得る。例えば、ＨＶＡＣの設定値の範囲を約±４°Ｆに拡大すると、建物のエネルギー消費量の約３０％超を節約することができる。人体の熱放散には以下の３つの形態がある：伝導、対流、および放射。これらの消散経路のうちで、放射は、通常の皮膚条件下での総熱損失の約４０％またはそれを超えるが、伝統的な布地は、放射による熱損失を調節するように設計されていない。伝統的な布地は、対流または伝導消散率を変化させるために人体の周囲の空気を捕捉する。しかし、放射由来の熱放散は、典型的には、伝統的な布地によって適切に調節されない。赤外線（ＩＲ）透過性を示し、且つ、放射調節によってその熱的特性を調整することができる布地材料を提供することが望ましい。
【０００４】
この背景に対して、本開示の実施形態を開発する必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概要
冷却／暖房の二機能効果を有するＩＲ透過性布地は、室内ＨＶＡＣ利用を減少させるのに役立ち得る。本開示のいくつかの実施形態は、伝統的な布地と比較して冷却を改善するために人体の放射消散に役立てるための多孔質ＩＲ透過性布地を使用する。ＩＰ透過性布地の多孔質構造はまた、通気性および空気透過性の両方がより高い。コーティングと組み合わせる場合、この布地は、人体のＩＲ放射を反射し、暖房モードで機能することができる。
【０００６】
伝統的な布地と異なり、いくつかの実施形態のＩＲ透過性布地は、人体によって放出されたＩＲ放射の吸収が低く、そのため、ＩＲ放射を環境に自由に伝達することができ、それにより、着用者はより涼しく感じる。一方、細孔は、可視光を散乱し、可視光に対して布地を不透明にするのに適切なサイズである。いくつかの実施形態では、細孔は、ＩＲ放射よりもむしろ可視光を主に散乱するようなサイズである。これらの細孔を、相互に接続させ、布地に通気性を持たせ、伝導および対流によって熱放散を増大させることができる。その結果、ＩＲ透過性を示し、且つ視覚的に不透明な布地が得られる。冷却を目的とするＩＲ透過性多孔質布地に加えて、二機能性、すなわち、同一の布地片において冷却および暖房の機能を有する布地を提供することができる。二機能性を実現するために、布地は、片側の放射率が高く、反対側の放射率が低い二重層が組み込まれている。低放射率層が外側に面する場合、この層は熱放射の損失が抑制され、着用者を暖房する。他方では、高放射率層が外側に面する場合、熱が自由に放射されて着用者は涼しく感じる。
【０００７】
いくつかの実施形態では、人体の温度を調節する方法を提供する。本方法は、布地を人体に隣接して配置する工程を含み、前述の布地は、多孔質ポリオレフィンまたは他の多孔質ポリマーを含む少なくとも１つの層またはシートを含み、前述の層は約５０ｎｍおよび約１０００ｎｍの範囲のサイズの細孔を有し、前述の層はＩＲ透過性を示し、可視光に対して不透明である。
【０００８】
いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィンは多孔質ポリエチレンである。いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィンは多孔質ポリプロピレンである。別の多孔質ポリオレフィン（適切な細孔を有する別の熱可塑性のポリオレフィンまたはポリオレフィンエラストマーなど）を使用することができる。１つまたは複数の以下の官能基を実質的に欠くポリマーなどの他の多孔質ポリマーを使用することができる：Ｃ−Ｏ；Ｃ−Ｎ；芳香族Ｃ−Ｈ；およびＳ＝Ｏ（これらの官能基のうちの１つまたは複数の含有量がわずか約１ｍｍｏｌｅ／ｇ、わずか約０．１ｍｍｏｌｅ／ｇ、わずか約０．０１ｍｍｏｌｅ／ｇ、わずか約０．００１ｍｍｏｌｅ／ｇ、またはわずか約０．０００１ｍｍｏｌｅ／ｇのポリマーなど）。
【０００９】
いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）は、ＩＲ放射の代わりに主に可視光を散乱させるサイズの細孔を有するか、画定する。例えば、細孔は、可視光波長に匹敵し、且つＩＲ放射波長未満、または中ＩＲ放射波長未満であるようなナノサイズ（例えば、ナノポアとして）であり得る。いくつかの実施形態では、細孔の平均孔径は、約５０ｎｍおよび約１０００ｎｍの範囲（約５０ｎｍ〜約９００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約８００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約７００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約６００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約５００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約４００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約４００ｎｍ、または約５００ｎｍおよび約１０００ｎｍなど）であるが、平均孔径が約２μｍまでまたは約３μｍまでのより大きな細孔も意図される。いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）の平均孔径は、わずか約１０００ｎｍ（前述の範囲内など）である。孔径を、例えば、Ｂａｒｒｅｔ−Ｊｏｙｎｅｒ−Ｈａｌｅｎｄａモデルを使用して決定することができる。いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）の細孔容積（細孔の存在に起因する空間または空隙に対応する）は、約１０％および約９０％の範囲（約２０％〜約８０％、約３０％〜約７０％、または約４０％〜約６０％など）、または少なくとも約１０％の範囲（少なくとも約１５％、少なくとも約２０％、少なくとも約２５％、少なくとも約３０％、少なくとも約３５％、または少なくとも約４０％、および約６０％まで、約７０％まで、またはそれを超えるなど）である。
【００１０】
いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む層の波長９．５μｍでの赤外線透過率は、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、または少なくとも約８０％、および約９０％までまたは約９０％超、約９５％までまたは約９５％超、または約９８％までまたは約９８％超である。いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む層の７〜１４μｍの波長範囲にわたる加重平均赤外線透過率は、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、または少なくとも約８０％、および約９０％までまたは約９０％超、または約９５％までまたは約９５％超である。いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む層の４００〜７００ｎｍの波長範囲にわたる可視光線に対する不透明度は、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、または少なくとも約８０％、および約９０％までまたは約９０％超、約９５％までまたは約９５％超、または約９９％までまたは約９９％超である。
【００１１】
いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む層は、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む不織布層である。
【００１２】
いくつかの実施形態では、布地は多層であり、層は第１の層であり、布地は、第２の層（綿層（例えば、綿メッシュ）またはポリエステル層（例えば、ポリエステルメッシュ）から選択される層など）をさらに含む。より一般的には、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む層を、１つまたは複数のさらなる層（１つまたは複数の他の布地材料（例えば、綿またはポリエステル）の層など）を使用して積層するか、そうでなければ組み合わせることができる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む層は、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む織布層である。
【００１４】
いくつかの実施形態では、層は、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む織布層であり、多孔質ポリオレフィンを糸にすることができ、糸を布地層に織ることができ、任意選択的に、糸を別の布地材料（綿またはポリエステルから選択される布地材料など）と混合することができる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、布地は、親水性を示すようになるように化学的に処理されている。
【００１６】
いくつかの実施形態では、布地は複数の穴を画定し、穴はサイズ（例えば、平均直径）が約１００μｍ（より一般的には、約１μｍ〜約１ｍｍの範囲内）であり、隣接する穴との間隔（例えば、平均間隔）は約５００μｍ（より一般的には、約１μｍ〜約１ｃｍの範囲内）である。
【００１７】
いくつかの実施形態では、布地は、冷却効果および暖房効果を提供する。
【００１８】
いくつかの実施形態では、布地は、暖房効果を得るためのＩＲ反射層でコーティングされている。
【００１９】
いくつかの実施形態では、布地を、種々の衣料品（衣服および履物など）および他の製品で使用することができる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む層は、第１の多孔質ポリオレフィン（または他の第１の多孔質ポリマー）を含む第１の層であり、布地は、第２の多孔質ポリオレフィン（または他の第２の多孔質ポリマー）を含む第２の層をさらに含み、第２の多孔質ポリオレフィンは、第１の層に含まれる第１の多孔質ポリオレフィン（または他の第１の多孔質ポリマー）と同一でも異なっていてもよい。布地は、第１のコーティングおよび第２のコーティングをさらに含み、第１のコーティングおよび第２のコーティングは、ＩＲ放射に関して異なる放射率を有し、第１のコーティングおよび第２のコーティングは、第１の層と第２の層との間に位置づけられており、第１のコーティングは第１の層に隣接し（例えば、直接隣り合っている）、第２のコーティングは第１のコーティングに隣接し（例えば、直接隣り合っている）、且つ第２の層に隣接している（例えば、直接隣り合っている）。いくつかの実施形態では、第１のコーティングは、高放射率のコーティングまたは層であり、波長９．５μｍでのＩＲ放射の放射率は、少なくとも約０．６、少なくとも約０．６５、少なくとも約０．７、少なくとも約０．７５、少なくとも約０．８、少なくとも約０．８５、または少なくとも約０．９であり、第２のコーティングは、低放射率のコーティングまたは層であり、波長９．５μｍでのＩＲ放射の放射率は、わずか約０．５、わずか約０．４５、わずか約０．４、わずか約０．３５、またはわずか約０．３である。いくつかの実施形態では、第１のコーティングは、高放射率のコーティングまたは層であり、波長範囲７〜１４μｍにわたるＩＲ放射の加重平均放射率は、少なくとも約０．６、少なくとも約０．６５、少なくとも約０．７、少なくとも約０．７５、少なくとも約０．８、少なくとも約０．８５、または少なくとも約０．９であり、第２のコーティングは、低放射率のコーティングまたは層であり、波長範囲７〜１４μｍにわたるＩＲ放射の加重平均放射率は、わずか約０．５、わずか約０．４５、わずか約０．４、わずか約０．３５、またはわずか約０．３である。いくつかの実施形態では、第１のコーティングと第２のコーティングとの放射率（波長９．５μｍまたは波長範囲７〜１４μｍにわたる加重平均での）の相違は、少なくとも約０．２、少なくとも約０．３、少なくとも約０．４、少なくとも約０．５、少なくとも約０．６、または少なくとも約０．７、および約０．８までまたは約０．８超である。いくつかの実施形態では、第１の層の厚さは、第２の層の厚さより厚い（第１の層の厚さは、第２の層の厚さの少なくとも約１．１倍、少なくとも約１．３倍、少なくとも約１．５倍、または少なくとも約１．８倍、および約２倍までまたは約２倍超、または約３倍までまたは約３倍超などである）。いくつかの実施形態では、冷却モードにおいて、第１のコーティングが第２のコーティングよりも人体からさらに離れて配置されるように、布地を人体に隣接させて配置する。いくつかの実施形態では、暖房モードにおいて、第２のコーティングが第１のコーティングよりも人体からさらに離れて配置されるように、布地を人体に隣接させて配置する。第１のコーティングに適切な材料には、炭素質材料（例えば、カーボンブラックまたは他の炭素形態）、非金属酸化物（例えば、二酸化ケイ素）、および非金属窒化物（例えば、窒化ケイ素）が含まれ、第２のコーティングに適切な材料には、金属（銅、アルミニウム、およびチタン）および金属合金が含まれる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、布地の水蒸気透過速度は、少なくとも約０．００５ｇ／ｃｍ２・時、少なくとも約０．００８ｇ／ｃｍ２・時、少なくとも約０．０１ｇ／ｃｍ２・時、少なくとも約０．０１２ｇ／ｃｍ２・時、少なくとも約０．０１４ｇ／ｃｍ２・時、または少なくとも（ｌｅａｓｔ）約０．０１６ｇ／ｃｍ２・時、および約０．０２ｇ／ｃｍ２・時までまたは約０．０２ｇ／ｃｍ２・時超である。いくつかの実施形態では、布地の空気透過性は、少なくとも約１０ｃｍ３／秒・ｃｍ２・Ｐａ、少なくとも約２０ｃｍ３／秒・ｃｍ２・Ｐａ、少なくとも約３０ｃｍ３／秒・ｃｍ２・Ｐａ、少なくとも約４０ｃｍ３／秒・ｃｍ２・Ｐａ、少なくとも約５０ｃｍ３／秒・ｃｍ２・Ｐａ、または少なくとも約６０ｃｍ３／秒・ｃｍ２・Ｐａ、および約８０ｃｍ３／秒・ｃｍ２・Ｐａまでまたは約８０ｃｍ３／秒・ｃｍ２・Ｐａ超である。いくつかの実施形態では、布地のウィッキング速度（または距離）は、少なくとも約２ｍｍ、少なくとも約４ｍｍ、少なくとも約６ｍｍ、または少なくとも約８ｍｍ、および約１０ｍｍまでまたは約１０ｍｍ超である。いくつかの実施形態では、布地の引張り強度は、少なくとも約１０Ｎ、少なくとも約２０Ｎ、少なくとも約３０Ｎ、または少なくとも約４０Ｎ、および約６０Ｎまでまたは約６０Ｎ超である。いくつかの実施形態では、布地の波長９．５μｍでの赤外線透過率は、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、または少なくとも約８０％、および約９０％までまたは約９０％超、約９５％までまたは約９５％超、または約９８％までまたは約９８％超である。いくつかの実施形態では、布地の波長範囲７〜１４μｍにわたる加重平均赤外線透過率は、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、または少なくとも約８０％、および約９０％までまたは約９０％超、または約９５％までまたは約９５％超である。いくつかの実施形態では、布地の波長範囲４００〜７００ｎｍにわたる可視光線に対する不透明度は、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、または少なくとも約８０％、および約９０％までまたは約９０％超、約９５％までまたは約９５％超、または約９９％までまたは約９９％超である。
【００２２】
さらなる実施形態では、布地を提供し、前述の布地は、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む少なくとも１つの層またはシートを含み、前述の層は約５０ｎｍおよび約１０００ｎｍの範囲のサイズの細孔を有し、前述の層はＩＲ透過性を示し、可視光に対して非透過であり、前述の布地は、親水性を示すようになるように化学的に処理されている。いくつかの実施形態では、布地は、親水性剤（ポリドーパミン（ＰＤＡ）など）でコーティングされているか、このコーティングを含む。
【００２３】
さらなる実施形態では、布地を提供し、前述の布地は、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む少なくとも１つの織布層または織布シートを含み、前述の織布層は、約５０ｎｍおよび約１０００ｎｍの範囲のサイズの細孔を有する繊維を含み、前述の織布層はＩＲ透過性を示し、可視光に対して非透過である。
【００２４】
さらなる実施形態では、布地を提供し、前述の布地は、多孔質ポリオレフィン（または他の多孔質ポリマー）を含む少なくとも１つの層またはシートを含み、前述の布地は、多孔質ポリオレフィンを含む層に隣接した第１のコーティングおよび第２のコーティングをさらに含み、第１のコーティングおよび第２のコーティングは、ＩＲ放射に関する放射率が異なる。
【００２５】
本開示の他の態様および実施形態も意図する。前述の概要および以下の詳細な説明は、本開示を任意の特定の実施形態に制限することを意味せず、本開示のいくつかの実施形態を説明することのみを意味する。
【００２６】
図面の簡単な説明
本開示のいくつかの実施形態の性質および目的をより深く理解するために、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】光子調節の概念。
【００２８】
【図２】暖房モードでの布地の例。
【００２９】
【図３】体熱放散の消散。
【００３０】
【図４】室内での冷却エネルギー消費量を軽減するためのＩＲ透過性布地。（Ａ）略図は、ＩＲ透過性布地の機能を説明している。人体放射がＩＲ透過性布地を通ってに自由に消散し、身体冷却が増強される。これは、空気調和装置によって設定された室内温度を高いエネルギー入力から低いエネルギー入力にできることを意味する。伝統的な布地はＩＲ非透過性を示し、適切な放射冷却効果を持たない。（Ｂ）布地のＩＲ透過率の関数としての、同一の熱的快適性を維持するための空気調和装置の設定値の比較。布地の遮断性が低くなる場合、着用者を不快にすることなく空気調和装置の設定値を上昇させることができる。比較のためにＩＲ非透過性綿および素肌もプロットする。結果は、放射冷却効果によって室内冷却を求める主張を大幅に低下させることができることを示す。ポリオレフィンフィルムは、ＩＲ透過率が約９０〜９５％であり得、したがって、ＩＲ透過性布地材料に望ましい。
【００３１】
【図５】透過層で分離された皮膚と部屋の壁との間の放射熱伝達の幾何学的性質（反射率ρおよび透過率τを使用）。
【００３２】
【図６】着衣した人の皮膚の熱伝達モデルの略図。
【００３３】
【図７Ａ】布地材料の分子構造。
【００３４】
【図７Ｂ】他の布地材料対ナノ多孔質ポリエチレン（ＮａｎｏＰＥ）のＩＲ特性。（Ａ）フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）の全透過率のスペクトル。（Ｂ）減衰全反射（ＡＴＲ）ＦＴＩＲスペクトルは、他の布のいくつかの吸収ピークが人体放射の波長範囲内で起こることを示す。
【００３５】
【図８】ポリエチレンの分子構造。
【００３６】
【図９−１】ｎａｎｏＰＥのＩＲ特性および形態。（Ａ）ｎａｎｏＰＥ、通常のＰＥ、および綿の間の比較を示す略図。ｎａｎｏＰＥは、ＩＲ透過性、可視光不透明度、および対流を同時に満たす。（Ｂ）それぞれＩＲおよび可視光の全透過率および正透過度のシミュレーション。（Ｃ）種々の孔径についての人体放射に基づく加重平均透過率のシミュレーション。平均透過率は、孔径が増加するにつれて約９０％超から約８０％に低下し、人体放射の透過に影響を及ぼしはじめる。（Ｄ）ｎａｎｏＰＥの画像はその拡張性を示す。（Ｅ）ｎａｎｏＰＥの走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）画像。挿入図は、拡大したｎａｎｏＰＥのＳＥＭ画像である。ナノポアのサイズは約５０〜１０００ｎｍであり、このサイズは、高いＩＲ透過率を確保するのに望ましい。（Ｆ）ｎａｎｏＰＥ、通常のＰＥ、および綿の全ＦＴＩＲ透過率。孔径が小さいので、ｎａｎｏＰＥは、通常のＰＥと同等の透過性がある。他方では、綿は不透明である。（Ｇ）試料の画像。ｎａｎｏＰＥは綿と類似の外観を有しているが、典型的なＰＥは透過性を示し、布地材料としては適切ではない。（Ｈ）視覚的な不透明度測定は、ｎａｎｏＰＥが綿と同等の不透明度を示すことを定量的に確認する。
【図９−２】ｎａｎｏＰＥのＩＲ特性および形態。（Ａ）ｎａｎｏＰＥ、通常のＰＥ、および綿の間の比較を示す略図。ｎａｎｏＰＥは、ＩＲ透過性、可視光不透明度、および対流を同時に満たす。（Ｂ）それぞれＩＲおよび可視光の全透過率および正透過度のシミュレーション。（Ｃ）種々の孔径についての人体放射に基づく加重平均透過率のシミュレーション。平均透過率は、孔径が増加するにつれて約９０％超から約８０％に低下し、人体放射の透過に影響を及ぼしはじめる。（Ｄ）ｎａｎｏＰＥの画像はその拡張性を示す。（Ｅ）ｎａｎｏＰＥの走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）画像。挿入図は、拡大したｎａｎｏＰＥのＳＥＭ画像である。ナノポアのサイズは約５０〜１０００ｎｍであり、このサイズは、高いＩＲ透過率を確保するのに望ましい。（Ｆ）ｎａｎｏＰＥ、通常のＰＥ、および綿の全ＦＴＩＲ透過率。孔径が小さいので、ｎａｎｏＰＥは、通常のＰＥと同等の透過性がある。他方では、綿は不透明である。（Ｇ）試料の画像。ｎａｎｏＰＥは綿と類似の外観を有しているが、典型的なＰＥは透過性を示し、布地材料としては適切ではない。（Ｈ）視覚的な不透明度測定は、ｎａｎｏＰＥが綿と同等の不透明度を示すことを定量的に確認する。
【００３７】
【図１０】種々の孔径についてのＩＲ透過率のシミュレーション。平均孔径は、約０．２μｍ、約０．４μｍ、約０．８μｍ、約２μｍ、約１．６μｍ、約２．４μｍ、および約４．８μｍである。孔径が増加するにつれて、対応する透過率の窪みは、より長い波長に向かってシフトし、人体放射に対する平均透過率が低下する（灰色の影の領域によって示す）。
【００３８】
【図１１】ｎａｎｏＰＥおよび種々の布地試料の熱測定。（Ａ）布地の熱測定の実験セットアップ。実質的に一定の火力を発生する発熱要素を人の皮膚をシミュレートするために使用し、「皮膚温度」を、熱電対によって測定する。皮膚温度が低いほど良好な冷却効果を示す。（Ｂ）素肌、ｎａｎｏＰＥ、綿、およびＴｙｖｅｋの熱測定。ｎａｎｏＰＥは、ＩＲ透過性が高いので、綿およびＴｙｖｅｋより冷却効果が高い。（Ｃ）素肌および３つの試料の熱画像測定。ｎａｎｏＰＥはそのＩＲ透過性のためにＨ型金属パターンがはっきりわかる。
【００３９】
【図１２】繊維状ポリエチレン布地の形態およびＩＲ特性。（Ａ）布地のＳＥＭ画像は、巨大な繊維および粗い細孔を示し、それにより、ＩＲ透過率が低い。（Ｂ）拡大したＳＥＭ画像。（Ｃ）布地のＦＴＩＲ透過率。
【００４０】
【図１３Ａ】シミュレートした皮膚温度の比較。
【００４１】
【図１３Ｂ】皮膚温度の比較（暖房モードで操作）。
【００４２】
【図１４】種々の着用性試験のためのｎａｎｏＰＥの処理。（Ａ）ポリドーパミン（ＰＤＡ）−ｎａｎｏＰＥ−メッシュの製造プロセスの略図。全ての布地試験において、ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュは、綿に匹敵する性能を示す。（Ｂ）水蒸気透過速度試験は、どのようにして人の汗が布地を透過することができるのかを示す。（Ｃ）空気透過性試験は、特定の圧力低下での布地の空気流量を試験する。（Ｄ）ウィッキング距離は、迅速な蒸発のために汗を輸送する能力を示す。（Ｅ）引張り強度試験は、ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュが綿と実質的に同一の最大引張り強度を有することを示す。
【００４３】
【図１５】ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュの光学的特徴づけ。（Ａ）ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュの画像。約１ｍｍのサイズの穴は、溶接点である。空気透過性を改善するためのミクロンサイズの穴は、ほとんど目立たない。（Ｂ）ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュの光学顕微鏡（ＯＭ）画像は、ミクロンサイズの穴のサイズおよび間隔が、それぞれ約１００μｍおよび約２００μｍであることを示す。（Ｃ）綿布地のＯＭ画像。
【００４４】
【図１６】ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュの特性。（Ａ）全ＩＲ透過性。（Ｂ）視覚的不透明度。（Ｃ）冷却特性。
【００４５】
【図１７】厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）による透過率シミュレーションのための単位セル（平面図）。
【００４６】
【図１８】ｎａｎｏＰＥ布地の製造プロセス。
【００４７】
【図１９】ｎａｎｏＰＥ繊維のＳＥＭ画像。
【００４８】
【図２０】デュアルモード布地の略図。（Ａ）伝統的な布地は、単一の放射率を有し、そのため、放射熱伝達係数は固定されている。（Ｂ）ＩＲ透過性ｎａｎｏＰＥに埋め込まれた二重層熱放射体について、高放射率層が外側に面し、且つ、皮膚と放射体との間のｎａｎｏＰＥが薄い場合、放射率および放射体温度が共に高く、それにより、熱伝達係数が大きくなる。そのため、布地は冷却モードになる。（Ｃ）布地を反転させると、放射率および放射体温度が共に低くなり、それにより、熱伝達係数が減少する。このとき、布地は暖房モードで作動する。
【００４９】
【図２１】デュアルモード布地の形態および放射率の特徴づけ。（Ａ）高放射率層を含む炭素コーティングしたｎａｎｏＰＥの画像。（Ｂ）炭素コーティングのＳＥＭ画像から、その粗く多孔質の構造が明らかとなり、この構造は、放射率の増加に有利である。（Ｃ）低放射率層を含む銅コーティングしたｎａｎｏＰＥの画像。（Ｄ）銅コーティングのＳＥＭ画像は、表面が光学的に滑らかであり、これは中赤外に有利であることを示す。ナノポアは、空気および水蒸気を透過するために開いたままである。（Ｅ）デュアルモード布地の画像。炭素側に２つのｎａｎｏＰＥ層が存在し、銅側に１つのｎａｎｏＰＥ層が存在する。（Ｆ）金拡散積分球を備えたＦＴＩＲによって測定された炭素コーティングおよび銅コーティングの放射率。（Ｇ）材料および厚さを記したデュアルモード布地の略図。全ての材料は、空気および蒸気の透過が可能な多孔質である。
【００５０】
【図２２】デュアルモード布地の熱測定。（Ａ）種々の条件の定常状態の人工皮膚温度：素肌、伝統的な布地、冷却モード布地、および暖房モード布地。冷却モードおよび暖房モードは、同一の試料片の反対側の異なる面にあり、得られる人工皮膚温度が異なる。（Ｂ）８つの異なる最上層放射率を有する４つのデュアルモード布地は、皮膚温度が異なる。皮膚温度は最上層の放射率と逆相関し、このことは環境への放射熱伝達の重要性を示している。（Ｃ）モード切替えに起因する温度差は、２層の放射率差に正に相関する。デュアル様式が放射率の絶対値ではなくその差に依存することを検証するために、炭素のみの試料および銅のみの試料も測定する。（Ｄ）最上層および最下層の放射率の関数としての人工皮膚温度の計算。星印でマークしたΔε＝約０．８の場合に、デュアルモード布地によって最大温度差を生じた。
【００５１】
【図２３】デュアルモード布地による熱的快適性領域の拡大。（Ａ）素肌、伝統的な布地、およびデュアルモード布地の熱的快適性領域。人工皮膚温度は、約３２〜３６℃である。（Ｂ）種々の周囲温度でのデュアルモード布地および伝統的な布地のリアルタイム熱測定。高い周囲温度で冷却モードを使用し、低温で暖房モードを使用することにより、周囲温度が約１６〜２５℃の間に変化しても、人工皮膚温度は約３２〜３６℃以内である。対照的に、伝統的な布地は周囲温度の変動傾向に追随し、それにより、周囲温度掃引の間に熱的不快を生じる。エラーバーは、３つの測定値の標準偏差を示す。
【００５２】
【図２４】布地の熱回路モデル。（Ａ）伝統的な布地。（Ｂ）冷却モードの布地。（Ｃ）暖房モードの布地。
【００５３】
【図２５】炭素／ｎａｎｏＰＥ上の銅蒸着。（Ａ）銅コーティングした炭素／ｎａｎｏＰＥの画像。銅の厚さが約１５０ｎｍである一方で、炭素層の粗さが約９μｍであるので、外観は粗く暗いままである。（Ｂ）銅コーティングした炭素／ｎａｎｏＰＥの放射率。放射率は、ｎａｎｏＰＥ上に銅をコーティングした試料よりもはるかに高い。
【００５４】
【図２６】熱測定装置の略図。（Ａ）熱測定装置の側面図。寸法は実物大でないことに留意すべきである。（Ｂ）装置の加熱器部の斜視図。
【００５５】
【図２７】発汗ホットプレート熱測定。（Ａ）発汗ホットプレート熱測定の略図。図２６に示す熱測定装置の基本的構成要素に加えて、ここでは、水が布地試料を通過して金属発泡体から周囲に蒸発することができる。この測定では、熱フラックスを、標的皮膚温度（約３５℃）が得られるように調整する。（Ｂ）熱フラックスおよび温度差から導いた全熱伝達係数。蒸発熱が含まれる場合でさえ、デュアルモード布地は、依然として２つの異なる熱伝達係数を示す。伝統的な布地は、暖房布地より暖かく、これは乾燥熱測定の結果と異なる（図２６Ａ）。これは、伝統的なスウェットシャツの湿度移動特性がより悪いことを示しており、図３０中の水蒸気透過速度の測定値と一致している。
【００５６】
【図２８】実験で使用した試料番号１〜４の放射率。（Ａ）試料番号１。（Ｂ）試料番号２。（Ｃ）試料番号３。（Ｄ）試料番号４。
【００５７】
【図２９】種々の試料の熱測定および加重平均放射率。炭素のみの試料および銅のみの試料について、放射率を対比させていない。人工皮膚温度は、最下層よりもむしろ最上層の放射率と強く相関する。
【００５８】
【図３０】デュアルモード布地、Ｔシャツ、およびスウェットシャツの着用性試験。（Ａ）水蒸気透過試験。（Ｂ）空気透過性試験。（Ｃ）ウィッキング試験。（Ｄ）引張り強度試験。
【００５９】
【図３１】洗浄サイクルに対するデュアルモード布地の耐久性。着用性の改変、浄水での撹拌２回、洗剤液での撹拌２回、および洗濯機での洗浄２回に供した後の同一のデュアルモード布地片の人工皮膚温度および最上層の放射率の進化。炭素コーティングの内側の結合剤およびｎａｎｏＰＥによる防御により、性能は維持される。
【００６０】
【図３２】他の材料の二重層放射体についての放射率。（Ａ）ｎａｎｏＰＥ／Ｔｉ／Ｃ／ｎａｎｏＰＥ×２。（Ｂ）ｎａｎｏＰＥ／Ａｌ／Ｃ／ｎａｎｏＰＥ×２。（Ｃ）ｎａｎｏＰＥ×２／ＳｉＯ２／Ｃｕ／ｎａｎｏＰＥ。（Ｄ）ｎａｎｏＰＥ×２／Ｓｉ３Ｎ４／Ｃｕ／ｎａｎｏＰＥ。
【００６１】
【図３３】Ｔ皮膚＝約３４℃での最上層および最下層の放射率の関数としての快適な周囲温度の計算。
【００６２】
【図３４】ＩＲ透過性デュアルモード布地とＩＲ非透過性デュアルモード布地との比較。（Ａ）以下の４つのモードの伝熱回路モデル：ＩＲ非透過性暖房／冷却モードおよびＩＲ透過性暖房／冷却モード。（Ｂ）４つのモードの温度プロフィール。ＩＲ透過性布地はＩＲ非透過性布地より冷却効果がはるかに高いが、暖房効果は類似していることに留意すべきである。結果として、ＩＲ透過性布地はより大きなデュアル様式を達成することができる。
【００６３】
【図３５】熱伝導度測定のための保護されたホットプレートの設定。
【００６４】
【図３６】伝統的な布地の放射率スペクトル。
【００６５】
【図３７】温度の関数としての暖房モードの布地、冷却モードの布地、および伝統的な布地の加重平均放射率。放射率は、全温度範囲を通して実質的に一定である。これは、布地の灰色体近似が温度範囲内で妥当であることを意味する。
【００６６】
【図３８】遮熱性の測定。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
説明
人体の放射冷却のための多孔質ポリマー布地
エネルギー消費と気候変動は２１世紀の人類に課された２つの課題である。エネルギーの大量消費が直接的な原因となって温室効果ガスを過剰に発生させ、それにより気候のバランスが大きく乱され、地球温暖化および異常気象を引き起こす。それ故に、太陽光、風力、海洋、水素、およびカーボンニュートラル燃料などの再生可能エネルギーの開発が試みられている。他方では、現在のエネルギー消費量を減少させ、エネルギー効率を改善させることも望ましい。
【００６８】
よりエネルギー効率の高い電気機器または建築設計を使用するなどしてエネルギー効率を高めることは、エネルギー不足という課題を克服するための費用効果のある方法である。さらに、室内の冷暖房は世界のエネルギー消費量のかなりの部分を占めており、室内温度調節によるエネルギー消費量を軽減することが望ましい。個人における熱の管理は、エネルギーを節約し、個人を望ましく冷却するために室内温度の設定値範囲を拡大するための戦略である。
【００６９】
本開示のいくつかの実施形態は、室内着用者のためのＩＲ透過性布地を紹介している。いくつかの実施形態では、提案した布地は、暖房／冷却二機能性を示し、快適性や通気性を妥協することなくＨＶＡＣ利用を軽減するのに役立つ。提案したＩＲ透過性布地は、ＨＶＡＣエネルギー消費量を低下させることを望む任意の実体に有用であり得る。例えば、前述の布地を、職場での制服および家庭における普段着のために使用することができる。
【００７０】
いくつかの実施形態では、冷却のためにＩＲ透過性を示すか、暖房のためにＩＲ反射性を示し、それ故、所望の人の皮膚温度を維持するのにより有効な布地を提供する。
【００７１】
図１を参照すると、伝統的な布地は、冷却効果を達成するために対流または伝導熱損失を改善することに主に注目しているが、主要因子である放射熱損失を調節するように設計されていない。多孔質ＩＲ透過性フィルムは、人体放射が環境中により自由に透過し、有効な身体の冷却が可能な布地としての使用が提案されている。多孔質構造は、可視光を散乱させて視覚的に不透明にするが、依然としてＩＲ透過性を示す。さらに、多孔質構造は、相互接続した細孔により対流／伝導熱の損失が生じる。図２に示すように、ＩＲ反射層（例えば、金属層）でコーティングした場合、この布地は、身体周囲の人体放射を捕捉することによって暖房モードになる。
【００７２】
光子管理制御の概念に基づいて、電気配線を含めることなく放射消散を制御することができる受動的熱応答性布地が開発されている。また、孔径および幾何学的性質を、通気性がより高くなるように操作することができ、水親和性を改良するために表面を化学的に改変することができる。
【００７３】
いくつかの実施形態では、本開示は、人体の熱放散を容易にするために有効な放射冷却を促進する布地材料としてのナノ多孔質ポリエチレン（ｎａｎｏＰＥ）を証明する。ｎａｎｏＰＥは、中赤外線の人体放射を実質的に透過する。シミュレーションの結果に基づいて、ｎａｎｏＰＥで覆われた人の皮膚温度は、綿で覆われた人の皮膚温度よりも約２．７℃低く、空調エネルギーの約２５〜３５％を節約することが可能である。ナノポアのサイズ（例えば、約５０〜１０００ｎｍ）を、外観を不透明にするために可視光を散乱するが、中赤外線透過率は実質的に不変となるように設計する。さらに、着用性（布地に適切な空気透過性、水ウィッキング速度、および機械的強度など）を改良するために、ｎａｎｏＰＥにいくつかの処理を施すことに成功した。このｎａｎｏＰＥは、有効かつ拡張可能であり、室内エネルギーの節約のための効率の良い方法を提供することができる。
【００７４】
図３を参照して、約３４℃の通常の皮膚温度では、人体は約７〜１４μｍの中赤外線放射を発生し、約９．５μｍでそのピークが認められる。
【００７５】
室内シナリオでは、ＩＲ放射性熱放散は、全身熱損失の約５０％超に寄与する。この放射消散経路を夏期に増強し、且つ冬期に抑制することができる場合、個人の熱管理の目的が実現されるであろう。しかし、伝統的な布地は、ＩＲ放射をほとんど調節しない。この戦略に基づいて、約４０％超の人体のＩＲ放射を反射して人体を加温する金属ナノワイヤコーティングした布地を使用することによって、さらなるエネルギー入力を行わずに寒中に個人を受動的に暖房することができる。暑中での個人の冷却に関して、人体放射を迅速に消散することができるように布地にＩＲ透過性を付与することを目的とする。人の皮膚が優れたＩＲ放射体である（放射率は約０．９８である）ので、ＩＲ透過性布地により、大量の熱を通過させることが可能である。
【００７６】
図４Ａを参照して、通常の布地が類似の対流性／伝導性冷却効果を有するという前提の下で、ＩＲ透過性布地はより多くの人体の熱放散が行えるので、熱的不快を生じることなく室内温度をより高くすることができる。エネルギーに関して、室内温度の設定値を約１℃上昇させることによって約７〜１５％のエネルギーを節約することができ、設定値が約４℃異なると約３５〜４５％まで節約することができる。さらに、ペルチェ冷却または循環水／空気冷却と異なり、個人の放射冷却は受動的であり、さらなるエネルギー入力が不要である。したがって、ＩＲ透過性の衣服を着用すると実質的にエネルギー量を節約することができる。
【００７７】
空気調和装置の設定値に及ぼす布地の影響を推定するために、衣服を着用した人の皮膚についての例示的な定常状態の熱伝達モデルを数値的に解析する。代謝熱の生成率および皮膚温度が実質的に一定であり、且つ熱伝達が一次元であると仮定すると、布地の断熱が低いほど皮膚と空気との間の温度差は小さく、これは空気調和装置の設定値がより高くなることを意味する。各境界での熱伝達方程式を解くと、空気調和装置の設定値を得ることができる。熱伝達および空気調和装置の設定値の詳細な計算を以下に示す。
【００７８】
透過性中間層のためのネットラディエイション法
【００７９】
不透明表面（皮膚および部屋の壁）の間に透過層（理想的な非吸収性布地）を有する前述の不透明表面の間の放射熱伝達を計算するために、修正ネットラディエイション法を使用し、放射エネルギーを透過する壁を含む系に適用する。図５に示すように、幾何学的性質についての正味放射方程式を以下に示す。
【００８０】
表面１（皮膚）では、以下である。
【数１】
2019512053.tif 000003
【００８１】
表面２（壁）では、以下である。
【数２】
2019512053.tif 000004
【００８２】
透過層（理想的な非吸収性布地、ε３＝０）については、
【数３】
2019512053.tif 000005
（式中、τおよびρは層の全透過率および全反射率である）。外向きおよび内向きの放射熱フラックスｑｏおよびｑｉは、以下のような関係である：
【数４】
2019512053.tif 000006
【００８３】
これらの関係を、ｑ（Ｗ／ｍ２）について解き、熱フラックスが皮膚から壁へ伝達することを示す。この結果を反射率と透過性との間の関係ρ＝１−τ（非吸収層について有効）を使用することによって簡潔にして、以下を得る：
【数５】
2019512053.tif 000007
【００８４】
２つの不透明表面間の放射熱伝達について、方程式（８）でτ＝１と仮定すると、以下が得られる：
【数６】
2019512053.tif 000008
【００８５】
空気調和装置の設定値のシミュレーション
【００８６】
一定の皮膚温度（Ｔ皮膚＝３４℃）および一定の身体の発熱（ｑ＝７０Ｗ／ｍ２）での異なる布地の遮熱性に基づいて、空気調和装置の設定値により周囲温度が特定される。最初に、一次元の定常状態問題として人の皮膚から周囲環境への熱輸送をシミュレートするためにモデルを使用する。モデルの略図を図６に示す。
【００８７】
他の熱源が存在しないので、全熱フラックスはあらゆる位置での代謝熱フラックスと等しいはずであり、この熱フラックスには放射熱伝達および非放射熱伝達が寄与する：
【数７】
2019512053.tif 000009
【００８８】
以下の３つの未知数が存在する：空気調和装置の設定値（Ｔ空気）、布地外面温度（Ｔ外面）、および布地内面温度（Ｔ内面）。３つの熱輸送方程式は、布地外面、布地の内側、および空気空隙内での熱伝達機序を説明している。ＩＲ非透過性布地について、外面の熱伝達は、自然の対流および放射を含む。布地の内側では、熱伝導が優勢である。空気空隙内では、空気の伝導および放射が存在する。空気空隙についてのレイリー数はほぼ０．２程度であり、そのため、非放射熱伝達はほとんどが対流の代わりに伝導であることに留意すべきである。ＩＲ透過性布地について、非放射熱伝達方程式は、ＩＲ非透過性布地と同一である。しかし、放射熱フラックスは布地の内側の全熱フラックスに寄与し、皮膚と空気との間のいかなる位置でも同一の値である。これは、２つの放射体（皮膚および壁）が存在し、ＩＲ透過性布地の放射率がゼロであると仮定されるからである。素肌、ＩＲ非透過性布地、およびＩＲ透過性布地についての方程式を以下に示す：
【数８】
2019512053.tif 000010
【数９】
2019512053.tif 000011
式中のパラメータを以下に示す：
【表１】
2019512053.tif 000012
【００８９】
ＩＲ透過性布地の表面放射率をゼロと仮定するので、部分ＩＲ透過性布地のＩＲ反射率からρ＝１−ε−τ＝１−τが得られる。放射消散について、反射によって熱輸送が逆になる。吸収および再放射は、少なくとも部分的に両側に向かって熱を輸送することができる。これが、τが約０．５６未満の場合に部分ＩＲ透過性布地がＩＲ非透過性布地より温かい理由である。
【００９０】
図４Ｂを参照して、シミュレーションは、素肌が空気調和装置の設定値の上側の閾値であることを示す。ＩＲ透過性布地について、ＩＲ透過率が増加するにつれて、さらなる放射冷却に起因して設定値は上昇する。ＩＲ透過率が約９５％に到達する場合、設定値は約２５．８℃となり、素肌の設定値よりも約０．８℃低い。このＩＲ透過率レベルを、ポリオレフィンフィルムによって達成することができる。綿がＩＲ非透過性であるために異なる放射熱伝達方程式に従うことを除き、綿布地について同一のシミュレーションが行われる。適切な放射冷却を欠くために、綿布地の設定値は約２２．６℃であり、この設定値は約９５％透過性布地よりも約３．２℃低いことを示す。シミュレーションは、放射冷却は、対流性／伝導性冷却のみでは達成することができない熱放散を有意に促進することができることを証明している。
【００９１】
冷却効果を増強する可能性が高いにもかかわらず、ＩＲを透過するが可視光に対して不透明な布地材料を識別することが望ましい。放射スペクトル（約７〜１４μｍ）は、伝統的な布地材料のほとんどのＩＲ吸収波長と重複している（Ｃ−Ｏストレッチング（約７．７〜１０μｍ）、Ｃ−Ｎストレッチング（約８．２〜９．８μｍ）、芳香族Ｃ−Ｈベンディング（約７．８〜１４．５μｍ）、およびＳ＝Ｏストレッチング（約９．４〜９．８μｍ）など）。図７Ａは、いくつかの布地材料の分子構造を示す。図７Ｂに示すように、いくつかの布地材料は、人体放射を強く吸収し、ＩＲ透過性が低い。
【００９２】
図８を参照して、ポリオレフィン（ポリエチレン（ＰＥ）など）は、脂肪族のＣ−Ｃ結合およびＣ−Ｈ結合を有し、その比較的狭い吸収ピークは、約３．４μｍ、約３．５μｍ、約６．８μｍ、約７．３μｍ、および約１３．７μｍであり、これらは全て人体放射のピークから離れている。しかし、ＰＥが視覚的に透明であり、且つ布地としての所望の特性（空気透過性および水ウィッキングなど）を持たないので、典型的なＰＥフィルムは、布地材料として望ましくない。
【００９３】
図９Ａを参照して、いくつかの実施形態では、本開示は、人体冷却に望ましいＩＲ透過性布地としてｎａｎｏＰＥを提案する。ｎａｎｏＰＥは、サイズが約５０〜１０００ｎｍの相互接続した細孔を有する。ｎａｎｏＰＥは、以下の複数の魅力的な特徴を提供する：（１）孔径のサイズ範囲が可視光波長（約４００〜７００ｎｍ）に匹敵し、そのため、可視光を強く散乱し、人の眼に対してＰＥを不透明にすることができること；（２）孔径がＩＲ波長よりはるかに小さく、そのため、ｎａｎｏＰＥフィルムのＩＲに対する透過性が依然として高いこと；および（３）相互接続した細孔が空気透過性を増加させ、ポリエチレン表面を親水性になるように化学的に改変した場合に水ウィッキングが起こり得ること。
【００９４】
図９Ｂを参照して、二重波長範囲（可視光およびＩＲ）のフォトニック効果を確認するために、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）を使用して、可視光範囲およびＩＲ範囲の両方における平均孔径約４００ｎｍのｎａｎｏＰＥの透過率を数値的にシミュレートした。参照のために人体放射スペクトルを示す。ｎａｎｏＰＥは、カットオフ約２μｍでのＩＲ範囲において約９０％を超える全透過率を示す。可視光領域（λ＜１μｍ）について、より良い外観を示すために正透過度を使用した。予想通り、ｎａｎｏＰＥは、ナノポアの強い散乱に起因して可視光の正透過度は低い。
【００９５】
図１０を参照して、ＩＲ透過率の孔径依存性も評価する。平均孔径が約２００ｎｍから約４．８μｍに増加する場合、散乱誘導性の透過率の窪みは、可視光から近赤外線に移動し、次いで中赤外線に移動する。透過率の窪みが約７〜１４μｍの範囲内に移動する場合、ＰＥフィルムは人体放射に対する透過性が低くなる。
【００９６】
図９Ｃおよび図１０を参照して、人体放射に基づいた加重平均ＩＲ透過率は、約１．２μｍの孔径で減衰し始め、約２．４μｍで最小に到達する。約４．８μｍで、透過率の窪みはより長い波長に向かって移動して人体放射から離れ、そのため、加重平均透過率はわずかに増加する。シミュレーションの結果は、提案したｎａｎｏＰＥの利点を支持し、所望の布地を達成するためのガイドラインとして役立つ。
【００９７】
図９Ｄに示すように、典型的な視覚的に透明なＰＥフィルムと異なり、ｎａｎｏＰＥは白色の外観を有し、可視光に対して不透明である。
【００９８】
図９Ｅを参照して、ＳＥＭ画像は、ｎａｎｏＰＥが約５０〜１０００ｎｍのサイズのナノポアおよび幅が数マイクロメートルのいくつかの整列された繊維様構造を有することを示す。拡大ＳＥＭ画像（図９Ｅ、挿入図）は、望ましいＩＲ透過性布地のサイズ仕様を満たし、流体透過のための経路を形成しているナノポアを示す。図９Ｆは、金拡散積分球を備えたＦＴＩＲ分光計によって測定された全ＩＲ透過率を示す。ナノポアは、全ＩＲ透過率にあまり影響を及ぼさず、ｎａｎｏＰＥおよび通常のＰＥの透過率はほとんど同一となる。有効透過率を評価するために、人体放射に基づいた加重平均透過率は、ｎａｎｏＰＥについては約９６．０％、通常のＰＥについては約９３．８％、および綿については約１．５％である。透過率が高い場合、ＰＥの狭い吸収ピークが人体放射にほとんど影響を及ぼさないことを示している。ＩＲ透過率に加えて、図９Ｇで視覚的外観も比較する。ｎａｎｏＰＥおよび綿は共に可視光散乱に起因する白色を示し、一方、通常のＰＥは視覚的に透明である。視覚的外観を定量的に評価するために、布地の背後の物体の認識を阻止する能力について不透明度を最初に特定し、そのため、不透明度は（１−正透過度）×１００％と示される。紫外・可視（ＵＶ−Ｖｉｓ）分光計を使用して、その不透明度を図９Ｈに示す。ｎａｎｏＰＥおよび綿の両方は、全可視スペクトルについて約９９％を超える不透明度を有する一方で、通常のＰＥの不透明度は約２０％である。これらの光学的測定により、ｎａｎｏＰＥがＩＲ透過性で視覚的に不透明な布地として望ましいことが確証される。
【００９９】
図１１Ａを参照して、ｎａｎｏＰＥの冷却効果を実験的に証明するためのデバイスを使用する。人の皮膚を、実質的に一定の電力を生じる発熱要素によってシミュレートする。熱電対を、熱画像測定のためのＨ型金属パターンと共に発熱要素の表面上に配置する。次いで、布地試料を熱電対の上部に配置し、熱電対によって測定された温度は、布地試料の遮熱性に基づいて変化する。素肌、ならびにｎａｎｏＰＥ、綿、およびポリエチレン材料（Ｔｙｖｅｋとして入手可能）で覆った素肌の皮膚温度を、図１１Ｂに示す。図１２に示すように、Ｔｙｖｅｋは繊維状ポリエチレン布地であるが、その細孔および繊維のサイズは数十ミクロンであり、人体放射の透過にはあまり望ましくない。
【０１００】
戻って図１０Ｃを参照して、温度カメラを使用して、熱測定下でＩＲ透過性を視覚化した。素肌について、熱画像により、金属の放射率の低さに起因して熱電対およびＨ型金属パターンがはっきりとわかる。ｎａｎｏＰＥについて、熱画像は素肌とほぼ同一であり、これはｎａｎｏＰＥがＩＲ放射透過性であることを示す。他方では、綿およびＴｙｖｅｋは、ＩＲ放射の遮断に起因して金型が認められず、より冷たいようでもあった。
【０１０１】
戻って図１０Ｂを参照し、且つ図１３Ａも参照して、ｎａｎｏＰＥは、素肌と比較して皮膚温度を約０．８℃上昇させる優れた冷却能力を有する。対照的に、綿およびＴｙｖｅｋは、それぞれ約３．５℃および約２．９℃皮膚を温める。この温度増加の影響を認識するために、人の皮膚温度は激しい運動後に約３℃上昇し、そのため、摂氏数度の皮膚温度の変化で熱的不快の実質的な差を生じることを考慮しなければならない。
【０１０２】
図１３Ｂを参照して、銅でのコーティング後（多孔質Ｃｕ−ＰＥフィルム）、試料を暖房モードで運転すると、皮膚温度が約４０．４℃に上昇する。
【０１０３】
図１４を参照して、優れた冷却効果が保証されるＩＲ透過性の高さおよび対流性熱放散の高さに加えて、布地に、着用に適するようなさらなる材料特性（ウィッキング、機械的強度、および空気透過性など）を組み込むことができる。ｎａｎｏＰＥを人の衣服にさらに適切にするために、いくつかのプロセスを実施した。
【０１０４】
第１に、マイクロニードルによるパンチングによってサイズが約１００μｍで平均間隔が約５００μｍの穴を作製し、この穴によって空気透過性を増強するためのより有効な経路が作製される。第２に、有穴ｎａｎｏＰＥを、ポリドーパミン（ＰＤＡ）でコーティングした。ＰＤＡは有効な親水性剤であり、且つ人体に無害である。最後に、綿メッシュを２層のＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥの間に挟み込み、機械的強度を強化するために点溶接によって熱接合する。ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュのプロセスについての詳細を、図１４Ａに認めることができる。図１５は、ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュ材料の光学画像を示す。
【０１０５】
図１４Ｂを参照して、ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュ、ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ、ｎａｎｏＰＥ、Ｔｙｖｅｋ、綿、および通常のＰＥにおける布地の性質を調査するためのいくつかの試験を行った。図１４Ｂは、水蒸気透過速度（ＷＶＴＲ）を示し、ＷＶＴＲは、自然な拡散および対流によって人の汗由来の水蒸気を透過する能力を示す。全てのｎａｎｏＰＥ試料は、マイクロニードルによるパンチングの有無とは無関係にＷＶＴＲが高い（約０．０１６ｇ／ｃｍ２・時）。これらの結果は、ナノポア自体が自然な対流が起こる状況下で十分な水蒸気透過性があることを示す。綿およびＴｙｖｅｋのＷＶＴＲはわずかに低く（約０．０１４ｇ／ｃｍ２・時）、通常のＰＥは実質的に非透過性である。
【０１０６】
図１４Ｃを参照して、試料の空気透過性を特徴づけた。空気透過性を、印加圧力の関数としての空気の透過流速として特定し、空気透過性は、布地に空気を吹き込ませ、次いで体熱を運び出す能力を示す。綿織布中の糸の間の間隔に類似するミクロンサイズの穴のために、ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュ、ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ、および綿の空気透過性は類似しており、その範囲は約４０〜約６０ｃｍ３／秒・ｃｍ２・Ｐａである。対照的に、Ｔｙｖｅｋ、ｎａｎｏＰＥ、および通常のＰＥの空気透過性はより低い。ミクロンサイズの穴が人毛ほど小さいので（約１００μｍ）、視覚的不透明性はあまり影響を受けない。
【０１０７】
図１４Ｄを参照して、ウィッキング速度は、布地の別の望ましい性質である。ウィッキング速度は、どれ位の効率で液体の水が布地内を輸送されるかを示す。ウィッキング速度がより高いということは、迅速に汗が広がって蒸発することができることを意味する。綿は、親水性セルロース繊維に起因して高いウィッキング速度を有し得る。図１４Ｄに示すように、綿布地のウィッキング速度は約９．７ｍｍである。ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュは、そのＰＤＡコーティングに起因する類似のウィッキング距離約８．３ｍｍおよびその二重層構造に由来する毛管効果を有する。ＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥは親水性であるが、水平方向の間隔を欠くために毛管効果が制限される。Ｔｙｖｅｋ、ｎａｎｏＰＥ、および通常のＰＥは疎水性であり、したがって、ウィッキング長を測定していない。
【０１０８】
図１４Ｅを参照して、布地の機械的強度を測定する。綿メッシュの助けで、幅約２ｃｍのＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥ−メッシュの細長片は、約４５Ｎの引張力に耐えることができ、これは綿に匹敵する。図１６に示すように、ＰＤＡの厚さ、マイクロホールサイズ、およびメッシュ充填率を慎重に選択したことに起因して、これらの着用性改善プロセスがＩＲ透過性、冷却特性、および不透明度にほとんど影響を及ぼさないことに留意すべきである。
【０１０９】
結論として、人体のＩＲ放射に透過性であり、且つ可視光に対して不透明である二機能性布地材料（ｎａｎｏＰＥなど）を提案し、そして証明する。シミュレートした人の皮膚に対して顕著な冷却効果が示され、この冷却効果は、室内冷却におけるエネルギー消費を低下させることができる。提案した二機能性布地を、金属の適用範囲を、自動的にまたは手作業による電子制御によって変化させることができるマイクロ放射体を含む複数の遮熱モードを組み込むことによってさらに改良することができる。さらなる実施形態は、放射率がより高い／より低いコーティングによって温度調整範囲を最大にすることにも焦点を合わせることができる。ｎａｎｏＰＥの有効性および拡張可能性を考慮して、提案した二機能性布地は、世界的なエネルギーおよび環境の危機を軽減することができる。
人体放射の暖房および冷却のためのデュアルモード布地
【０１１０】
人体温度の維持は基本的な生命活動であり、しばしば、周囲温度を一定に保つために大量のエネルギーを消費する。人の熱的快適性を維持しながら周囲温度範囲を拡大するために、個人が熱管理するという概念を、人体の赤外線の調節によって布地を個別に暖房および冷却することによって証明する。同一布地内でこれらの２つの相反する機能が実現されると、有意に技術が進歩するであろう。本明細書中のいくつかの実施形態は、エネルギー入力を行うことなく同一の布地片を使用して受動的な放射の暖房および冷却の両方を行うことができるデュアルモード布地に関する。デュアルモード布地は、赤外線（ＩＲ）透過性ナノ多孔質ポリエチレン（ｎａｎｏＰＥ）層の内側に埋め込んだ二重層放射体から構成される。放射率およびｎａｎｏＰＥの厚さの両方の非対称的な特徴により２つの異なる熱伝達係数が得られ、低放射率層が外側に面している場合は暖房し、高放射率層が外側に面するように布地を裏返して着用した場合に冷却することができることを証明する。これにより、熱的快適性領域を約６．５℃拡大することができる。データの数値フィッティングにより、放射率の対比が大きなデュアルモード布地において快適帯が約１４．７℃に拡大されるとさらに予想される。
【０１１１】
内温性は、人の適切な機能を維持するために極めて重要な役割を果たす。内温性は、いくつかの体温調節処置（代謝率、血液循環、汗、起毛（鳥肌）、および震えなど）によって達成される絶妙なバランスである。中核体温の維持に失敗すると、しばしば、重篤な医学的緊急事態を引き起こす。日常生活において医学的緊急事態が起こることはそれほど一般的ではないが、それでも熱的快適性は、健康、生産性、および経済に大きな影響を及ぼす。室内熱的快適性は、一般に部屋全体または建物全体の空調によって達成されるが、かなりのエネルギーを消費する。米国では、全エネルギー消費量の約１２％が室内温度調節のために使用されている。空調がない場合、衣類が主な人体の温度調節方法となる。しかし、一般的な衣類は断熱範囲が制限されており、しばしば、気候変動と調和できない。大きく且つ突然の日周的な気候変動により、呼吸器感染および心疾患を引き起こし得る。これらの問題から、有効な人体の温度管理方法が必要とされる。特に、布地による個人の温度管理は、建物全体の代わりに人体の近くの温度調節に注目しているので、大いなる可能性を秘めている。
【０１１２】
放射熱管理は、伝統的な暖房方法または冷却方法を凌ぐのに有効な方法であり得る。放射率、透過率、および反射率の調節により、異なる熱伝達調節を行うことができる。安静時の人体について、赤外線（ＩＲ）放射（約７〜１４μｍの波長）は、熱損失の約４０〜６０％を占める。個人の暖房のために、標準的な布地上の金属ナノワイヤコーティングにより、ＩＲ放射を反射して人体に戻すことができる。冷却布地は人体から放射されたＩＲと同程度のＩＲを含むであろう。このことは、ナノ多孔質ポリエチレン（ｎａｎｏＰＥ）を使用して証明される。ｎａｎｏＰＥは、低吸収且つ散乱がほとんどないことに起因して中赤外線を透過する一方で、ナノポア（直径約５０〜１０００ｎｍ）による可視光の強い散乱によって人の眼には不透明である。これまで、暖房および冷却のための相反するＩＲ放射調節には、１つの布地タイプでは１つの熱機能しか発揮できないという制約があった。その制約は、単一の布地で暖房機能および冷却機能の両方を発揮するにはどのようにデザインすればよいのかという課題として依然として存在する。実際に、かかるデュアルモード布地は、人体が広範な周囲温度または生理学的条件に適応するのに役立つであろう。伝統的には、衣類を着脱するか、サーモスタットを常に調整することによってこの適応が可能である。しかし、追加の衣類が常に利用できるわけではない。サーモスタットの頻繁な変更は非効率且つエネルギーを浪費し、しばしば、全ての居住者を同時に満足できない。
【０１１３】
本明細書中のいくつかの実施形態は、ＩＲ透過性ｎａｎｏＰＥの内側に埋め込んだ二重層熱放射体を使用することによって暖房および冷却の両方のためのデュアルモード布地を証明している。このデュアルモード布地は、内側と外側を反転することによって暖房および冷却の各モードに容易に切り替えることができ、各モードは、受動的と考えられ、電気配線や外部エネルギー入力を必要しない。熱伝達係数が調整可能であることによって熱的快適性領域を拡大し、使用者の環境変化への適応に役立ち得る。
【０１１４】
デュアルモード布地の基本的機構を理解するために、人の衣類から周囲への放射熱フラックスｑ放射を以下のように検討する：
【数１０】
2019512053.tif 000013
。
（式中、σはステファン・ボルツマン定数であり、ε布地は布地表面の放射率であり、
【数１１】
2019512053.tif 000014
は周囲放射率であり、Ｔ布地は布地表面温度であり、Ｔ周囲は周囲温度である。冷却または暖房のために、それぞれ高いまたは低いｑ放射のいずれかを有することが望ましい。したがって、デュアルモード布地を実現するために、ε布地およびＴ布地の両方が調節可能であるべきである。ε布地およびＴ布地が高い場合、ｑ放射は増加するであろう。そのため、人体の熱放散はより効率的になり布地は冷却モードになる。対照的に、ε布地およびＴ布地が低い場合、布地は暖房モードになる。伝統的な布地はＩＲ非透過性を示し、放射率は約０．８である。選択した材料の化学組成が類似するために前述の放射率はほとんど変動せず、そのため、１つの熱伝達係数を有し得る（図２０Ａ）。
【０１１５】
提案した設計では、それぞれの側で放射率が異なる二重層熱放射体をｎａｎｏＰＥ布地の内側に埋め込み、この布地はそれぞれの側の厚さが非対称でもある。ｎａｎｏＰＥがＩＲ透過性をであるので、ｎａｎｏＰＥの内側の放射体は、周囲に向かって自由に放射することができる。二重層放射体は放射率を調節することができ、ｎａｎｏＰＥの厚さによって熱い側（人の皮膚）からより近いかより遠い放射体の温度を調節する。冷却モード（図２０Ｂ）では、高放射率層（高ε布地）は環境の外側に面しており、放射体と皮膚との間のｎａｎｏＰＥの厚さは薄い。この厚みの薄さにより、温かい人の皮膚と放射体との間で効率の良い熱伝導が保証され、放射体の温度が上昇する（高Ｔ布地）。外側に面した高放射率（高ε布地）と短い放射体−皮膚間の距離（高Ｔ布地）とのこの組み合わせにより、熱伝達係数が高くなる。そのため、布地は冷却モードである。ε布地＝ε皮膚＝０．９８であり、且つ、人の皮膚と放射体との間の熱抵抗がゼロである（Ｔ布地＝Ｔ皮膚）場合、冷却効果は、ｎａｎｏＰＥ冷却布地のみを着用した場合ほどの強さある。布地を反転させた場合、低放射率側が外側を向き（低ε布地）、且つ、放射体−皮膚間の距離が増加し、それにより、熱コンダクタンスが低くなり（低Ｔ布地）、そのため、布地は暖房モードになる（図２０Ｃ）。
【０１１６】
暖房モードまたは冷却モードのいずれかでの構造の電磁応答が相反的であることに注目すべきである。暖房モードと冷却モードとの間で変わるものは、放射体の温度の相違である。かかる構造は、光子ベースの熱整流器でもない。この場合、暖房モードおよび冷却モードは、高温熱源（人体）と低温ヒートシンク（周囲環境）との間の異なる構造配置に対応する（図２４）。デュアル様式は、放射、伝導、および対流の相乗的結果である。モードを切替えた場合、放射熱伝達の構成要素が変化するが、空気の対流および界面抵抗は変化しない。これらの熱伝達の構成要素の間の並行関係および連続的関係は、２つのモードについての２つの異なる有効な熱伝達係数を有するようになる。さらに、ｎａｎｏＰＥのＩＲ透過性は、冷却モードで有効な放射冷却を達成する一方で、暖房モードで十分な暖かさを保持することにおいて重要な役割を果たす。ｎａｎｏＰＥをＩＲ非透過性布地と置換しても依然として非対称熱伝達モードを有し得るにもかかわらず、その冷却力およびデュアル様式は、ＩＲ透過性ｎａｎｏＰＥほど効率的ではない。全ての解析は、実施例に見出すことができる。
【０１１７】
デュアルモード布地を実現するために、二重層放射体の材料の選択および製造方法を考慮すべきである。炭素は、中赤外範囲（人体放射の波長範囲の約２８０００〜８７０００ｃｍ−１）での吸収係数が大きく、高放射率層の望ましい候補となる。図２１Ａは、ドクターブレードによる厚さ約１２μｍのｎａｎｏＰＥ上の厚さ約９μｍの炭素コーティングの画像である。コーティングは粗く且つ高度に多孔質であり、それにより暗色でつや消しの表面となり、高放射率ならびに空気および水蒸気の透過性の両方において有利である（図２１Ｂ）。他方では、低放射率層は反射率が高く、そのため、一般に金属がこの判定基準を満たす。約１５０ｎｍの銅を低放射率層としてｎａｎｏＰＥ上に蒸着させ、この層は滑らか且つ光沢がある（図２１Ｃ）。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像は、セミコンフォーマルな銅コーティングがナノポアの開口を残すのに十分な薄さであり、そのため、布地の空気および水蒸気の透過性を維持することができることを示す（図２１Ｄ）。２つの放射体を向かい合わせに挟持することによって二重層放射体構造が得られ、この構造は、両側にｎａｎｏＰＥを有する（図２１Ｅ）。厚さを非対称にするために炭素側にさらなるｎａｎｏＰＥ片を付加する。ｎａｎｏＰＥの最終的な厚さは、炭素側で約２４μｍであり、銅側で約１２μｍである。
【０１１８】
形態の調査に加えて、放射熱伝達特性を特徴づけるために中赤外波長範囲内の放射率を測定することが望ましい。フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）を金拡散積分球と共に使用して、両側の放射率を探索する（図２１Ｆ）。透過率（τ）および反射率（ρ）を測定して、ε＝１−τ−ρによって放射率（ε）を計算した。炭素側では、約２μｍ〜約１８μｍの波長の間の放射率は約０．８〜約１．０である。約３３℃での人体放射に基づいた加重平均放射率は約０．８９４である。他方では、銅は遥かに低い放射率を示し、加重平均値は約０．３０３である。約３．４、約３．５、約６．８、約７．３、約１３．７、約１３．９μｍの波長での強い吸収ピークは、ポリエチレンに帰する。これらの吸収ピークは、その位置が約９．５μｍでピークを示す大部分の人体放射から離れているので、埋め込まれた放射体にほとんど影響を及ぼさない。デュアルモード布地の最終的な構造を図２１Ｇにまとめて示す。
【０１１９】
モード切替による断熱の変化および放射率の影響を、透明なアクリル製室中での代謝熱生成のシミュレーションおよび調節可能な周囲温度を用いた定常状態の人工皮膚温度の測定によって証明する。電熱器によって代謝熱生成をシミュレートし、全測定を通して約５１Ｗ／ｍ２に実質的に一定に維持し、室温度を冷却／加熱水再循環器によって約２２．０℃に実質的に一定に維持する（図２６）。デュアルモード布地の冷却効果および暖房効果を、図２２Ａに最初に示す。素肌条件では、人工皮膚温度は約３１．０℃である。伝統的な布地の一片を人工皮膚上に配置することにより、その温度が約３６．９℃に上昇する。デュアルモード布地に関して、炭素側（高放射率）が外側に面する場合、この布地は冷却モードで作動し、人工皮膚温度を約３３．８℃に低下させる。デュアルモード布地を裏返して銅（低放射率）を外側に向けた場合、この布地は暖房モードで作動し、人工皮膚温度を約４０．３℃に上昇させる。この約６．５℃の人工皮膚温度の差は、厚さおよび質量が厳格に同一のデュアルモード布地片を反転させることによって得られる。発汗ホットプレート法も使用して、さらなる水分蒸発の影響下でデュアル様式を試験した（図２７）。結果は、蒸発による熱損失を含む場合でさえ、冷却モードは依然として全熱伝達係数が暖房モードより約１０％高いことを示す。伝統的な布地は、蒸発による熱損失を考慮した場合、暖房モードの布地より若干暖かくなる。これは、水蒸気はデュアルモード布地ほど効率的に伝統的な布地（本実験ではスウェットシャツ）中に伝播しないことを意味し、このことは水蒸気透過速度の測定結果と一致する（図３０）。したがって、かかる布地の反転により断熱性が劇的に異なることが証明された。このデュアル様式は、人の皮膚の環境に対する適応性を非常に増強することができる。
【０１２０】
デュアルモード布地の設計では、全熱伝達係数は、二重層放射体の放射率と密接に相関する。放射体のコーティング厚さの調整により、その放射率を、異なる熱的特性変動範囲が得られるように調節することができる。冷却モード下および暖房モード下の両方における種々の放射率を組み合わせた４つのデュアルモード布地の人工皮膚温度に対して試験を行い、そのため、８つの最上層の放射率（ε最上層）が存在する（図２２Ｂ）。人体放射に基づいて放射率の加重平均を求めた。人工皮膚温度が最上層の放射率と逆相関し、この放射率が周囲への放射熱伝達を決定づけることに留意すべきである。他方では、最下層の放射率（ε最下層）は、人工皮膚温度にほとんど影響を及ぼさない（図２９）。これは、皮膚と最下層の間で、伝導による熱フラックス輸送が放射による熱フラックス輸送よりもはるかに大きく、そのため、最下層の放射率は熱伝達係数全体にほとんど影響を及ぼさないからである。デュアル様式によって得られた温度差を、各試料についての最上層と最下層との間の放射率の差の関数としてプロットする（図２２Ｃ）。温度調整能力は主にデュアルモード布地中の２つの放射層間の放射率の差によって調節されることを示す。銅のみおよび炭素のみを有する試料も、デュアル様式が放射率の絶対値ではなくその差に依存することを確認するために試験した（図２９）。
【０１２１】
提案された設計における最大温度の調整能力を数値的に予測するために、個々の構成要素および境界の熱抵抗を、デュアルモード布地試料の熱測定データおよび放射率測定データを用いてフィッティングする。対応する熱抵抗回路を図２４に示す。次いで、フィッティングした熱抵抗を使用して熱伝達モデルを構築し、皮膚温度（ε最上層およびε最下層）の関係を導く（図２２Ｄ）。図２２Ｄ中の点線で示すように、デュアルモード布地は、ε最上層＞ε最下層の場合に冷却モードで動作し、ε最上層＜ε最下層の場合に暖房モードで動作する。放射率の上閾値および下閾値を、それぞれ０．９および０．１に設定する。この設定は、ｎａｎｏＰＥが有限の透過率を有し、且つ、多孔質放射体が完全な反射率を達成することができない場合をより良好に反映するためである。Δε＝約０．８（すなわち、冷却については（ε最上層、ε最下層）＝（０．９、０．１）、暖房については（ε最上層、ε最下層）＝（０．１、０．９））の場合に最大の温度変化が生じる。計算値は、この最大デュアルモード布地が、
【数１２】
2019512053.tif 000015
を有し、約１４．７℃の温度変動に相当することを示す。実際に、これらの放射率を、高放射率層の吸収および低放射率層の反射を最大にする一方で、多孔度および通気性を維持するようにコーティング方法を改良することによって実現することができる。ｎａｎｏＰＥの赤外透過率のさらなる強化には、二重層放射体の設計を最大限に活用することもできる。この数値的モデル化は、デュアルモード布地の調整範囲を示す。熱的快適性を得るために、熱伝達係数のコントラストおよびその平均値を、異なるシナリオに適合するように最適に操作すべきである。
【０１２２】
熱的快適性領域を、居住者が快適に感じる周囲条件範囲として特定する。これは主観的であってよく、コンセンサスを得るための投票および統計の結果を含み得る。概念実証として、人工皮膚温度を熱的快適性の指標として使用し、快適範囲であるように約３２〜３６℃を選択する。換言すれば、約３２〜３６℃の人工皮膚温度を得ることができる周囲温度範囲を熱的快適性領域として設定する。定常状態の熱測定デバイスによって測定した場合、断熱性に応じて、試料が異なると熱的快適性領域も異なる（図２３Ａ）。温度変化が比較的小さく、熱伝達係数が温度によって変動しないので、熱的快適性領域は、人工皮膚温度と共に直線的に変化し、素肌および伝統的な布地の場合はたった約４℃にしか及ばない。デュアルモード布地について、この布地は２つの熱伝達係数を有するので、熱的快適性領域は、約１３．９〜約２４．３℃の範囲であり、約１０．４℃に及ぶ。デュアルモード布地による熱的快適性領域の拡大のさらなるリアルタイムの証明を、比較としての伝統的な布地と共に図２３Ｂに示す。時間分解熱測定は、熱慣性にかなり影響を受けるため、人工皮膚温度の測定値は周囲温度の変化に遅れを取り、図２３Ａ中の定常状態の値とわずかに異なることに留意すべきである。エラーバーは、３つの独立した測定値の標準偏差を示す。伝統的な布地は、周囲温度の変動に追随し、熱的快適性を示す温度範囲は狭い。デュアルモード布地に関して、周囲温度が低すぎて人工皮膚温度がほぼ約３２℃を下回る場合、デュアルモード布地は暖房モードに切り替わり、人工皮膚温度を上昇させた。周囲温度は依然として低下していたので、人工皮膚温度は、最終的に、周囲温度が３７分で増加するまで再度低下するであろう。周囲温度が非常に高くなる場合、布地は再度冷却モードに切り替わる。結果として、デュアルモード布地は、動的周囲温度の変動を約９℃としながら人工皮膚温度を約３２〜３６℃以内に維持することができる。この熱的快適性領域の拡大は、布地の側面を反転させることによって得られ、この拡大はいかなる追加のエネルギー入力（化石燃料や電気など）も必要とせず、エネルギー効率の改善および大規模生産に特に魅力的である。
【０１２３】
望ましい放射率を設計する場合、人の衣服としての着用性を維持することも望ましい。ｎａｎｏＰＥの着用性を改善するためにいくつかの改変方法を使用することができ、この方法には、親水性を付与するためのポリドーパミンコーティング、空気透過性を付与するためのマイクロニードルパンチング、および機械的強度を付与するための綿メッシュの埋め込みが含まれる。これらの改変により、ｎａｎｏＰＥの空気透過性、水蒸気透過性、機械的強度、およびウィッキング特性を強化することができる。実施例に記載のように、類似の着用性の改変を、デュアルモード布地に対して行った。二重層放射体の厚さおよび形態を特異的に操作し、そのため、デュアルモード布地の空気および水蒸気の透過性は、伝統的な布地ほどの高さを維持する（図３０）。さらに、マイクロニードルでパンチングした穴および縫糸は全領域の数％しか占めず、親水性ポリドーパミンコーティングは非常に薄い。そのため、全放射率が保存され、したがって、放射特性を保存することができる（図３１）。炭素コーティングの内側の結合剤およびｎａｎｏＰＥ／放射体／ｎａｎｏＰＥサンドイッチ構造による防御により、デュアルモード布地は、洗浄サイクルに対して良好な耐久性を示す（図３１）。コーティング層と布地との間の共有結合または水素結合を含む印刷およびプリントならびに他の蒸着技術を使用して、耐久性をさらに改良することもできる。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、放射冷却および放射暖房についてのデュアルモード布地の概念は、非対称性の熱放射体であって、前述の放射体に所望の温度で中赤外線を放射させることができる、ＩＲ透過性ｎａｎｏＰＥ中に埋め込まれた非対称性の熱放射体に基づく。この概念は一般的であり、種々の材料を選択することができる。低放射率層について、アルミニウムおよびチタンは共に反射性が高く、安価であり、安定であり、無毒である（図３２）。高放射率層について、二酸化ケイ素および窒化ケイ素はまた、約９．５μｍでの吸収係数が相対的に高く、それぞれ、約２６５７４ｃｍ−１および約９３６２ｃｍ−１である。この広い選択範囲により、着用性の判定基準を満たし、温度範囲を調整可能にする柔軟性が得られる。かかる柔軟性を用いて、放射暖房／冷却布地の概念を、相互に有益となるように着用に適する電子機器に適用することもできる。例えば、着用に適する電子デバイスにより、熱伝達モードの調節をより容易にすることができるか、熱電暖房または電気暖房を使用した放射暖房／冷却を補完することができ、放射暖房／冷却布地は個人の熱的快適性に及ぼす電子デバイスの負の影響を軽減することができる。
【実施例】
【０１２５】
以下の実施例は、当業者に例示および説明するために本開示のいくつかの実施形態の特定の態様を記載している。本実施例は本開示のいくつかの実施形態の理解および実施に有用な特定の方法論を提供することのみを目的とするので、本実施例は本開示を制限するものであると解釈すべきではない。
実施例１
人体の放射冷却のための多孔質ポリエチレン布地
【０１２６】
材料
【０１２７】
布地試料を以下のように入手する：ナノ多孔質ＰＥ（Ｔｅｋｌｏｎ、約０．５ｍｉｌ、Ｅｎｔｅｋ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ＬＬＣ）、綿布地（シングルジャージー綿、約１３０グラム／ｍ２）、通常のＰＥ（ＣｌｉｎｇＷｒａｐ、約０．５ｍｉｌ、Ｔｈｅ  Ｇｌａｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ）、およびＴｙｖｅｋ（約７ｍｉｌ、Ｄｕｐｏｎｔ）。
【０１２８】
試料の特徴づけ
【０１２９】
ＩＲ透過率を、金拡散積分球（ＰＩＫＥ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）を備えたＦＴＩＲ分光計（Ｍｏｄｅｌ  ６７００、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）によって測定する。視覚的不透明度を、ＵＶ可視分光計（Ａｇｉｌｅｎｔ、Ｃａｒｙ  ６０００ｉ）によって測定した。ＦＥＩ  Ｎｏｖａ  ＮａｎｏＳＥＭ（１５ｋＶ）によってＳＥＭ画像を得た。
【０１３０】
可視光透過率およびＩＲ透過率のシミュレーション
【０１３１】
このシミュレーションでは、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）法を使用して、ｎａｎｏＰＥ多層フィルムの光学特性をシミュレートした。ＰＥの屈折率を見出すことができる。図１７は、ｎａｎｏＰＥ構造の無作為性を反映するためのシミュレーションの略図を示す。ｎａｎｏＰＥフィルムの各層を、図１７に示すセルの反復としてモデル化する。
【０１３２】
１つのセルのサイズが大きいために、セル間の干渉効果は、注目した波長領域からスペクトル的に遠く；したがって、シミュレーションは実際の場合を忠実に再現するはずである。各セルは、１つのＰＥ繊維ならびにいくつかの小さな分岐および細孔から構成される。細孔および分岐の幅は無作為に生成される。最終的なｎａｎｏＰＥフィルムは、層間が無作為に片寄った単層ｎａｎｏＰＥの積層物である。複数の無作為な構成をこの構造のために作製し、計算値の平均を得る。構造パラメータを、表２にまとめる。
【表２】
2019512053.tif 000016
【０１３３】
熱測定
【０１３４】
人体は、生理学的機能を維持するために中核体温を安定化するための体温調節（いわゆる内温性）を行うことができる。例えば、周囲温度が高い場合、人体は発汗し、蒸発によって冷却し；周囲温度が低い場合、人体は震えてさらに発熱する。しかし、実験的な体温調節のシミュレーションまたは周囲温度の操作のいずれかは、ゆっくり且つしばしば周期的に変動させる慎重な比例・積分・微分（ＰＩＤ）の調節が必要である。温度を一定に維持する代わりに、電力を実質的に一定になるように設定し、定常状態の皮膚温度を測定する。この皮膚温度は、電力インプット、熱抵抗、自然対流の熱伝達係数、表面放射率、および周囲温度によって決定される。皮膚を、電源装置（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  ２４００）に接続したガラス繊維クロスの加熱テープ（ＢｒｉｓｋＨｅａｔ）によってシミュレートする。得られた単位面積あたりの電力密度は約１４０Ｗ／ｍ２である。温度モニター（Ｄｉｇｉ−Ｓｅｎｓｅ、Ｃｏｌｅ−Ｐａｒｍｅｒ）に接続したビーズプローブ熱電対（Ｋタイプ、Ｆｌｕｋｅ）を使用して、布地および断熱材に挟まれた皮膚の温度を測定した。各温度データを、定常状態に到達させるために約２０分間安定化する。周囲温度は２３．５±０．２℃である。加熱テープで約８×８ｃｍ２の領域を覆い、試料サイズは約５×５ｃｍ２であり、熱電対のビーズプローブの直径は約１ｍｍである。熱電対は、加熱テープおよび試料と密着している。この構成は、測定が縁の影響を受けるのを回避し、そのため、このシステムを一次元熱輸送として近似することができる。較正した熱カメラ（ＭｉｋｒｏＳＨＯＴ、Ｍｉｋｒｏｎ）によって熱画像を撮影した。
【０１３５】
着用に適するｎａｎｏＰＥの改変
【０１３６】
ポリドーパミンコーティング溶液を、塩酸ドーパミン（約２ｇ／Ｌ、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）をＴｒｉｓ緩衝液（約１０ｍＭ、約ｐＨ８．５、Ｔｅｋｎｏｖａ）に溶解することによって作製する。ｎａｎｏＰＥを、マイクロニードルアレイ（ＡｄｍｉｎＰａｔｃｈ  ３００、ＮａｎｏＢｉｏＳｃｉｅｎｃｅ）または３０Ｇの針（ＢＤ  ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＧｌｉｄｅ）によって最初に穿孔し、次いで、コーティング液に約２４時間浸漬して表面を親水性にする。約１×１ｃｍ２の開口部を有する綿メッシュを、機織りによって作製した。綿メッシュを、２層のＰＤＡ−ｎａｎｏＰＥの間に挟み込み、半田ごてによって結合部を接着した。
【０１３７】
水蒸気透過速度試験
【０１３８】
試験手順は、修正ＡＳＴＭ  Ｅ９６に基づく。約１００ｍＬのメディウム瓶（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）に、約８０ｍＬの蒸留水を充填した。瓶をオープントップキャップおよびシリコーンガスケット（Ｃｏｒｎｉｎｇ）を使用して布地試料で密封した。布地の露出領域は、直径約３ｃｍである。次いで、密封した瓶を、温度約３５℃および相対湿度３０±１０％に保持した環境室に入れた。瓶および試料の質量を定期的に測定した。質量減少は、水の蒸発に由来するはずである。減少質量を領域で除して水蒸気透過を導いた。
【０１３９】
空気透過性試験
【０１４０】
試験手順は、修正ＡＳＴＭ  Ｄ７３７に基づく。フランジアダプタ、センタリングＯリング、およびクランプを使用して、布地試料を２つの管の間を密封した。布地の露出領域は、直径約２．３ｃｍである。一方の管をショート／ストレートレッグでＴコネクタに接続し、次いで、圧縮空気源に接続する。他方の管もショート／ストレートレッグでＴコネクタに接続し、次いで、外気に接続する。換言すれば、空気は、パイプおよび布地を一直線に流れる。差圧計（ＵＥｉ  Ｔｅｓｔ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）をロング／分岐レッグの両方に接続して、異なる空気流量で布地試料の両端の圧力低下を測定した。
【０１４１】
ウィッキング試験
【０１４２】
試験手順は、修正ＡＡＴＣＣ  ＴＭ  １９７に基づく。布地試料を幅約２ｃｍの細長片に切断し、蒸留水に浸漬した。毛管力によって水が試料を上昇し始めた。上昇持続期間は約１０秒間であった。
【０１４３】
機械的試験
【０１４４】
引張り強度試験では、Ｉｎｓｔｒｏｎ  ５５６５を用いて測定した。試料サイズは幅約２ｃｍおよび長さ約５ｃｍであり、ゲージ距離は長さ約３ｃｍであった。変位速度は、約２０ｍｍ／分であった。
実施例２
ＮａｎｏＰＥ織布の作製
【０１４５】
図１８を参照して、種々の分子量のＰＥをパラフィン油に溶解して、種々のＰＥ溶液を形成した。溶液をシリンジに入れ、ＰＥ／オイル繊維を押し出して繊維を形成することができる。次いで、繊維を塩化メチルに浸漬してパラフィンを除去し、ＰＥ繊維全体にナノポアを得た。これによりｎａｎｏＰＥ繊維を生産する。次いで、ｎａｎｏＰＥ繊維を紡績し、布地に織ることができる。
【０１４６】
図１８および図１９を参照して、ｎａｎｏＰＥ織布は、通常の布により近い「感触」であり、より強い機械的性質を有すると予想される。ナノポアは、通常のＰＥと対照的に、空気および水蒸気の透過性が付与されている。孔径および繊維の直径を慎重に調節すると、ＩＲ透過性は、高水準にとどまるはずである。図１９は、相互接続したナノポアのＳＥＭ画像を示す。
実施例３
デュアルモード布地
【０１４７】
材料と方法
【０１４８】
材料
【０１４９】
ナノ多孔質ポリエチレンを、Ｅｎｔｅｋ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ＬＬＣ（Ｔｅｋｌｏｎ、約１２μｍ）から入手する。伝統的な布地は、６０％綿／４０％ポリエステル、ブラッシュバックジャージー、約２６７グラム／ｍ２、および厚さ約７５０μｍのスウェットシャツである。着用性試験のために使用したＴシャツ布地は、１００％綿、約１３０グラム／ｍ２のシングルジャージーである。炭素スラリーを、１部のカーボンブラック（ＳｕｐｅｒＣ６５、Ｉｍｅｒｙｓ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ＆Ｃａｒｂｏｎ）および１部のポリアクリロニトリル（ＰＡＮ、分子量：約１５００００ｇ／ｍｏｌ、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）を適量のＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ、約９９．８％超、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）に分散させることによって作製する。二酸化ケイ素スラリーを、９部の約０．８μｍ二酸化ケイ素粉末（修正Ｓｔｏｅｂｅｒプロセスによって調製）および１部のポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ、融点：約１５５〜１６０℃、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）を適量のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ、約９９．０％超、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）に分散させることによって作製する。窒化ケイ素スラリーを、９部の窒化ケイ素粉末（約９９．９％超、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）および１部のＰＶＤＦを適量のＮＭＰに分散させることによって作製する。全てのスラリーを使用前に少なくとも約１２時間強く撹拌した。
【０１５０】
方法
【０１５１】
二重層放射体の作製
【０１５２】
高放射率層を、高放射率材料を含むスラリーをｎａｎｏＰＥ上にドクターブレードコーティングすることによって形成させた。ドクターブレードは、異なるコーティング厚さのための交換可能なゲージを有する。コーティングされたフィルムを、試験前に溶媒が実質的に完全に蒸発するまで風乾した。厚さを、較正したマイクロメータネジゲージによって測定した。炭素の厚さは約９μｍまたは約４μｍであり、二酸化ケイ素の厚さは約１９９μｍであり、窒化ケイ素の厚さは約６１μｍである。種々の金属のマグネトロンスパッタリング（ＡＪＡ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）によってｎａｎｏＰＥ上に低放射率層を蒸着し、この層の厚さをスパッタリングの出力および時間によって制御した。銅の厚さは約１５０ｎｍまたは約５０ｎｍであり、アルミニウムの厚さは約１５０ｎｍであり、チタンの厚さは約２７０ｎｍである。
【０１５３】
特徴づけ
【０１５４】
ＳＥＭ画像をＦＥＩ  ＸＬ３０  Ｓｉｒｉｏｎ（約５ｋＶ）によって撮影した。ＩＲ特性を、金拡散積分球（ＰＩＫＥ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）を備えたＦＴＩＲ分光計（Ｍｏｄｅｌ  ６７００、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）によって測定した。ＦＴＩＲを使用して反射率（ρ）および透過率（τ）を測定し、放射率（ε）を、
ε＝１−ρ−τ
に基づいて計算した。
【０１５５】
熱測定
【０１５６】
定常状態の一定の熱フラックス設定を、布地試料の全熱伝達係数の測定のために使用する（図２６）。人工皮膚は、上面の中央にｋタイプ熱電対を付着させた約９ｃｍ×約８ｃｍのシリコーンゴム電熱器であり、Ｔ皮膚と表示した。約９ｃｍ×約８ｃｍのガード加熱器を、底面の中央にｋタイプ熱電対を付着させた人工皮膚の下に配置し、Ｔガードと表示し、これはＴ皮膚と同一性を保っており、そのため、主加熱器とガード加熱器との間の界面を断熱境界と見なすことができる。したがって、主加熱器の発熱を、一次元熱フラックスとして処理することができ、ｑと表示する。前述の全ての電子装置を、Ｏｍｅｇａ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇから購入した。人工皮膚および試験試料を、Ｔ周囲と表示した室の気温を調節するための循環水（Ｃｏｌｅ−Ｐａｒｍｅｒ）を備えた透明なアクリル製室（ＴＡＰ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）に封入した。リアルタイム快適帯測定を除く全ての熱測定のために（図２３Ｂ）、Ｔ周囲＝２２℃およびｑ＝５１Ｗ／ｍ２。熱伝達係数が異なる布地を人工皮膚上に配置するかＴ周囲が変化する場合、Ｔ皮膚は、それに応じて変化する。布地試料のサイズは、約５ｃｍ×約５ｃｍである。
【０１５７】
発汗ホットプレート熱測定
【０１５８】
発汗ホットプレートは、通常の熱測定の基本的構成要素に基づくが、発汗をシミュレートするために、さらなる金属発泡体の水用容器を使用する（図２７）。実験方法は、修正ＡＳＴＭ  Ｆ１８６８に基づく。金属発泡体はガラス繊維テープによって断熱されており、布地試料の水との接触を防止するために金属発泡体の上部を耐水透湿性フィルムで覆っている。蒸気圧を実質的に一定にするために、全ての測定について人工皮膚温度が３５±０．１℃に維持されるように熱フラックスを調整する。周囲温度および相対湿度を調節する。周囲温度を、水再循環器によって１９±０．１℃に調節し、室は、相対湿度を３０±５％以内に維持するのに十分な大きさである。周囲温度および相対湿度の両方を、デジタル湿度計（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）によって測定する。
【０１５９】
着用に適するｎａｎｏＰＥの改変
【０１６０】
デュアルモード布地の着用性の改変を以下に示す。ｎａｎｏＰＥを、最初に、マイクロニードルアレイ（ＡｄｍｉｎＰａｔｃｈ  ３００、ＮａｎｏＢｉｏＳｃｉｅｎｃｅ）または３０Ｇ針（ＢＤ  ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＧｌｉｄｅ）によって穿孔した。第２に、ｎａｎｏＰＥを、約２４時間のｐＨ誘導性重合によってポリドーパミンでコーティングした。コーティング溶液は、塩酸ドーパミン（約２ｇ／Ｌ、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）、Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ（約１０ｍＭ、ｐＨ約８．５、Ｔｅｋｎｏｖａ）、および約５０重量％メタノール／水溶液から構成される。次いで、処理されたｎａｎｏＰＥに高／低放射率層をコーティングし、図２１Ｇと同一の順序にミシンで縫い合わせた。縫糸はポリエステル製であり、メッシュサイズ約１×約１ｃｍ２の格子状パターンを有する。
【０１６１】
水蒸気透過速度試験
【０１６２】
試験手順は、修正ＡＳＴＭ  Ｅ９６に基づく。約１００ｍＬのメディウム瓶（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）に、約２０ｍＬの蒸留水を充填した。瓶をオープントップキャップおよびシリコーンガスケット（Ｃｏｒｎｉｎｇ）を使用して布地試料で密封した。布地の露出領域は、直径約３５ｍｍである。次いで、密封した瓶を、温度約３５℃および相対湿度３０±１０％に保持した環境室に入れた。瓶および試料の質量を定期的に測定した。質量減少は、水の蒸発に由来するはずである。次いで、減少質量を面積で除して水蒸気透過を導いた。
【０１６３】
空気透過性試験
【０１６４】
試験手順は、修正ＡＳＴＭ  Ｄ７３７に基づく。フランジアダプタ、センタリングＯリング、およびクランプを使用して２つの管の間を布地試料で密封した。布地の露出領域は、直径約１７．３ｍｍである。一方の管をショート／ストレートレッグでＴコネクタに接続し、次いで、圧縮空気源に接続する。他方の管もショート／ストレートレッグでＴコネクタに接続し、次いで、外気に接続する。換言すれば、空気は、パイプおよび布地を一直線に流れる。差圧計（ＵＥｉ  Ｔｅｓｔ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）をロング／分岐レッグの両方に接続して、異なる空気流量で布地試料を横切る圧力低下を測定した。
【０１６５】
ウィッキング試験
【０１６６】
試験手順は、修正ＡＡＴＣＣ  ＴＭ  １９７に基づく。布地試料を幅約２ｃｍの細長片に切断し、蒸留水に浸漬した。毛管力によって水が試料を上昇し始めた。上昇持続期間は約１０秒間であった。
【０１６７】
機械的試験
【０１６８】
引張り強度試験では、Ｉｎｓｔｒｏｎ  ５５６５を用いて測定した。試料サイズは幅約２５ｍｍおよび長さ約５ｃｍであり、ゲージ距離は長さ約４ｃｍであった。変位速度は、約１０ｍｍ／分であった。
【０１６９】
デュアルモード布地の熱回路解析
【０１７０】
図２４は、伝統的な布地、冷却モード布地、および暖房モード布地の対応する熱回路を示す。伝統的な布地について、伝熱回路は、布地のどちら側を向けているかと無関係に同じままである（図２４Ａ）。全伝熱抵抗は、以下である：
【数１３】
2019512053.tif 000017
。
（式中、ｃｏｎｄ、ｃｏｎｖ、およびｒａｄは、それぞれ、伝導、対流、および放射の略語である）。
【０１７１】
デュアルモード布地について、伝導、対流、および空気空隙の抵抗は類似している。主な相違は、
【数１４】
2019512053.tif 000018
が皮膚または周囲と直接放射熱交換できるという点であり、それにより、全伝熱抵抗が変化するであろう（図２４Ｂおよび図２４Ｃ）。全伝熱抵抗は以下である：
【数１５】
2019512053.tif 000019
。
【０１７２】
放射抵抗項を解析するために、以下のステファン・ボルツマンの法則を使用して、放射熱伝達を説明する：
【数１６】
2019512053.tif 000020
【０１７３】
以下：
【数１７】
2019512053.tif 000021
と仮定すると、
式（２２）は以下のようになる：
【数１８】
2019512053.tif 000022
【０１７４】
皮膚および周囲の両方の放射率がほぼ一致するので、二重層の放射率をεと設定することができ、式（２４）を以下：
【数１９】
2019512053.tif 000023
のように書き換えると、放射抵抗は、以下のようになる：
【数２０】
2019512053.tif 000024
【０１７５】
【数２１】
2019512053.tif 000025
と仮定し、ステファン・ボルツマン定数σ＝５．６７×１０−８Ｗｍ−２Ｋ−４を式（２６）に代入すると、以下が得られる：
【数２２】
2019512053.tif 000026
（式中、εは二重層放射率によって決定される）。
【０１７６】
どのようにしてＲ放射が全熱回路に影響を及ぼすのかを評価するために、他の構成要素（すなわち、対流および伝導）と比較する。最初に、自然対流を検討する。人の胴体が高さ約１ｍおよび直径約３０ｃｍの垂直円筒であると仮定すると、自然対流の熱伝達係数は、以下である：
【数２３】
2019512053.tif 000027
。
（式中、Ｎｕはヌッセルト数であり、ｋは空気の熱伝導度であり、Ｌは円筒の高さである）。３０２Ｋの空気について、熱膨張係数β＝１／３０２＝３．３１１×１０−３Ｋ−１、熱伝導度ｋ空気＝０．０２６Ｗ／ｍＫ、動粘度（ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ  ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）ｖ＝１８×１０−６ｍ２／ｓ、プラントル数（Ｐｒａｎｄｔ  ｎｕｍｂｅｒ）Ｐｒ＝０．７２、および重力定数ｇ＝９．８ｍ２／ｓ。レイリー数Ｒａは、以下：
【数２４】
2019512053.tif 000028
であり、
【数２５】
2019512053.tif 000029
であるから、
【数２６】
2019512053.tif 000030
となる。
【０１７７】
次に、布地の熱伝導率ｋ布地は約０．３３Ｗ／ｍＫである。厚さ約１２μｍのｎａｎｏＰＥについて、伝導抵抗は、以下である：
【数２７】
2019512053.tif 000031
【０１７８】
方程式（２７）、（３１）、および（３２）の比較により、伝導抵抗は放射および対流よりはるかに小さく、放射および対流は類似の大きさであることを示す。界面抵抗も放射抵抗および対流抵抗よりはるかに小さく、高放射率層の放射率が１に近似し、低放射率層の放射率が非常に低いと仮定すると、方程式（２０）は以下：
【数２８】
2019512053.tif 000032
のように近似することができ、方程式（２１）は、以下のようになる：
【数２９】
2019512053.tif 000033
。
【０１７９】
上記の結果は、デュアルモード布地の２つの熱伝達係数が伝導、対流、および放射の結果の組み合わせであることを証明している。
【０１８０】
ＩＲ非透過性布地とＩＲ透過性布地との間のデュアル様式の比較
【０１８１】
ｎａｎｏＰＥに加えて、非対称放射率を有する他の材料は、ある程度デュアル様式を有し得る。しかし、ＩＲ透過性材料（例えば、ｎａｎｏＰＥ）は、有意義な冷却および暖房の両方を実現することができるが、ＩＲ非透過性材料は、「暖かい」と「より暖かい」との間で大きく切り替わる。ここに、ＩＲ非透過性層によって形成されたデュアルモード布地（ＩＲ非透過性／カーボンブラック／金属）がｎａｎｏＰＥによって得られる設計（ＩＲ透過性／カーボンブラック／金属）より有効でないことを証明する。図３４Ａは、以下の４つの構成の伝熱回路である：ＩＲ非透過性暖房／冷却およびＩＲ透過性暖房／冷却。一般性を失うことなく、二重層放射体を、ＩＲ透過層の外側に配置する。図３４Ｂは、熱抵抗を伝熱回路に接続すること(plugging)による４つの構成の計算された温度プロフィール示す：
【数３０】
2019512053.tif 000034
。
【０１８２】
冷却モードでは、ＩＲ透過性布地はＩＲ非透過性布地より約２．５℃涼しく、これは素肌のシナリオと非常に近い。素肌の皮膚温度の下閾値はより低いので、ＩＲ透過性を使用して放射熱伝達を最大にすることなく、かかる冷却効果の大きな差を得ることは平凡な課題ではない。空気空隙抵抗が無限に小さく、且つ炭素層の放射率が人の皮膚ほどの高さである場合、冷却力はｎａｎｏＰＥのみの場合に非常に近い。これはＩＲ透過性布地とＩＲ非透過性布地との間の根本的な差異を提起する。暖房モードでは、ＩＲ非透過性布地はＩＲ透過性布地より約０．８℃暖かく、そのため、ＩＲ透過性布地はさらにより明白なデュアル様式を有する。本質的に、ＩＲ透過性布地は、素肌の閾値に近づけることができ、熱伝達モードを「冷却」と「暖かい」との間で切り替えることができるが、ＩＲ非透過性布地は「暖かい」と「より暖かい」を達成することができる。
【０１８３】
ＩＲ透過性布地とＩＲ非透過性布地との比較を一般化するために、それらの全熱抵抗を比較することができる。ほとんどのシナリオにおいて、皮膚と周囲との間の温度差は、摂氏数十度であり、放射熱伝達係数が放射体の温度と無関係であると仮定することができる。したがって、冷却モードについて、以下に示す：
【数３１】
2019512053.tif 000035
。
【数３２】
2019512053.tif 000036
。
（式中、
【数３３】
2019512053.tif 000037
。
方程式（３７）は、ＩＲ透過性布地がＩＲ非透過性布地より常に涼しいことを示している。
【０１８４】
同様に、暖房モードについて、以下に示す：
【数３４】
2019512053.tif 000038
。
これは、方程式（３７）中のＲ１をＲ４に置き換えたものに相当する。
【０１８５】
ＩＲ透過性布地がより高いデュアル様式を有することを証明するために、以下が確立されるべきである：
【数３５】
2019512053.tif 000039
。
ΔＲ冷却のＲ１導関数を検討すると以下になる：
【数３６】
2019512053.tif 000040
これはＲ１が減少するにつれてΔＲ冷却が減少することを意味する。ほとんどのシナリオでは、対流の熱抵抗は、空隙伝導の熱抵抗よりはるかに大きい（すなわち、Ｒ１＞Ｒ４）。ΔＲ冷却およびΔＲ暖房がＲ１とＲ４との置き換えを除いて同一の式を有するので、これは、ΔＲ冷却＞ΔＲ暖房を意味する。したがって、方程式（３９）は妥当であり、ＩＲ透過性布地は、ＩＲ非透過性布地より高いデュアル様式を有する。
【０１８６】
デュアルモード布地の数値フィッティング
【０１８７】
提案した設計に基づいて最大デュアル様式を予測するために、熱回路内の伝熱抵抗構成要素を、方程式（２０）および（２１）、ならびに素肌および８つのデュアルモード測定の熱測定および放射率のデータ（図２８）を使用してフィッティングする。本実験による入力は、Ｔ皮膚、Ｔ周囲、ｑ、ε最上層、およびε最下層であり、他の報告による入力は、
【数３７】
2019512053.tif 000041
である。Ｔ周囲は、人工皮膚温度を計算する場合に約２２℃と仮定する。放射率を計算する場合にｎａｎｏＰＥの透過率が説明されたので、ｎａｎｏＰＥはフィッティングプロセスにおいて完全にＩＲ透過性として処理される。二重層放射体の温度をこれらの入力によって表現し、次いで、放射抵抗の式を導くことができる。放射抵抗、伝導抵抗、および対流抵抗を使用して全伝熱抵抗を計算し、それにより人工皮膚温度が計算される。これらの計算値を、最小二乗線形回帰法を使用して実験値でフィッティングして伝熱抵抗構成要素を導く（表４）。二重層内の接触抵抗は２層のｎａｎｏＰＥ内と同一と仮定され、ｎａｎｏＰＥおよび炭素コーティングの熱伝導度を報告された値から引用した。
【０１８８】
灰色体仮定
【０１８９】
この実施例では、灰色体仮定を布地に適用する（すなわち、ε布地（Ｔ皮膚）＝α布地（Ｔ皮膚，Ｔ周囲））。布地と周囲との間の温度差（通常、約２０Ｋ未満）が熱放射の波長分布を無視するに十分に小さいので、この仮定は妥当である。定量的に、冷却モード布地、暖房モード布地、および伝統的な布地の放射率スペクトルを使用して、温度の関数としての加重平均放射率を計算する（図３７）。放射率は、全周囲温度範囲を通して実質的に一定である。キルヒホッフの法則にしたがって、これらの加重平均放射率は、同一温度での加重平均吸収率と実質的に同一である。これは、周囲温度（Ｔ周囲＝約１４〜４０℃）ついての布地の吸収率が皮膚温度（Ｔ皮膚＝３４℃）での放射率と実質的に同一であることを意味する。
【表３】
2019512053.tif 000042
【表４】
2019512053.tif 000043
【表５】
2019512053.tif 000044
実施例４
二機能性布地の遮熱性
【０１９０】
図３８を参照して、二機能性布地の遮熱性を証明するために熱測定を行った。ここで、３つの異なるレベルの電力を印加して、異なる初期皮膚温度を示す異なる代謝熱の生成率をシミュレートした。
【０１９１】
第１の段階では、布地試料が存在せず、そのため、熱電対で模擬素肌の皮膚温度を測定した。約２１分で、冷却モードの二機能性布地を模擬皮膚上に配置し、温度上昇がいくつか認められた。約４１分で、布地試料を反転させ、そのため、暖房モードで作動し始めた。約２℃の皮膚温度の差が認められた。これは、布地試料の二機能性を証明している。約６５分で、布地試料を冷却モードに再度反転させ、温度低下が認められた。この熱測定は、布地が２つの遮熱性を保有することを実験的に証明している。
【０１９２】
本明細書中で使用する場合、単数形を示す用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」には、文脈上でそうでないと明確に示されない限り、複数形が含まれ得る。したがって、例えば、１つの対象の言及には、文脈上でそうでないと明確に示されない限り、複数の対象が含まれ得る。
【０１９３】
本明細書中で使用する場合、用語「実質的に」および「約」を、わずかな変動を記載し、説明するために使用する。事象および環境と併せて使用する場合、この用語は、事象または環境が正確に生じる場合をいうことができ、事象または環境が近似して起こる場合もいうことができる。例えば、数値と併せて使用する場合、この用語は、その数値の±１０％またはそれ未満（±５％またはそれ未満、±４％またはそれ未満、±３％またはそれ未満、±２％またはそれ未満、±１％またはそれ未満、±０．５％またはそれ未満、±０．１％またはそれ未満、または±０．０５％またはそれ未満など）の変動範囲を包含し得る。
【０１９４】
本明細書中で使用する場合、用語「サイズ」は、対象物の特徴的な寸法をいう。したがって、例えば、球形の対象物のサイズは、対象物の直径をいうことができる。非球形の対象物の場合、非球形対象物のサイズは、対応する球形対象物の直径をいうことができ、ここで、対応する球形対象物は、非球形対象物と実質的に同一である推測可能なまたは測定可能な性質の特定の組を示すか有する。特定のサイズを有する一組の対象物について言及する場合、対象物がおよそ特定のサイズのサイズ分布を有し得ることが意図される。したがって、本明細書中で使用する場合、一組の対象物のサイズがサイズ分布の典型的なサイズ（平均サイズ、サイズの中央値、またはピークサイズなど）をいうことができる。
【０１９５】
さらに、量、比、および他の数値を、本明細書中で、時折、範囲形式で示す。かかる範囲形式を便宜上および簡潔さのために使用すると理解すべきであり、範囲の限度と明確に特定された数値が含まれるが、その範囲内に含まれる全ての個別の数値または部分範囲も、前述の各々の数値または部分範囲が明確に特定されるかのように含まれると柔軟に理解すべきである。例えば、約１〜約２００の範囲の比は、明確に引用された限度である約１および約２００が含まれるが、個別の比（約２、約３、および約４など）および部分範囲（約１０〜約５０、約２０〜約１００など）も含まれると理解すべきである。
【０１９６】
本開示はその特定の実施形態を参照して記載しているが、当業者は、添付の特許請求の範囲に定義された本開示の真の意図および範囲から逸脱することなく、種々の変更を行い、均等物に置換することができると理解すべきである。さらに、特定の状況、材料、組成、方法、操作を本開示の目的、意図、および範囲に合わせて多数の修正を行うことができる。全てのかかる修正形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内であることが意図される。特に、一定の方法は特定の順序で実施した特定の操作を参照して記載したかもしれないが、本開示の教示から逸脱することなく、これらの操作を組み合わせるか、さらに分割するか、再度順序付けて、等価な方法を形成することができると理解されるであろう。したがって、本明細書中で明確な指示が無い限り、操作の順序および分類は本開示を制限しない。
【図１】
2019512053.tif 000045
【図２】
2019512053.tif 000046
【図３】
2019512053.tif 000047
【図４】
2019512053.tif 000048
【図５】
2019512053.tif 000049
【図６】
2019512053.tif 000050
【図７Ａ】
2019512053.tif 000051
【図７Ｂ】
2019512053.tif 000052
【図８】
2019512053.tif 000053
【図９−１】
2019512053.tif 000054
【図９−２】
2019512053.tif 000055
【図１０】
2019512053.tif 000056
【図１１】
2019512053.tif 000057
【図１２】
2019512053.tif 000058
【図１３Ａ】
2019512053.tif 000059
【図１３Ｂ】
2019512053.tif 000060
【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【国際調査報告】
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