JP2021512228A - 受動的放射性屋外個人冷却用のスペクトル選択的織物 - Google Patents

Abstract

織物は、（１）母材と、（２）母材内で分散された微粒子フィラーとを含む。織物は、少なくとも約４０％の、９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率を有し、織物は、少なくとも約４０％の、０．３μｍから２μｍの波長範囲にわたる放射の加重平均反射率を有する。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１８年２月５日に出願された米国仮出願第６２／６２６，５３２号の利益を主張し、その内容が、その全体の参照により本明細書に組み込まれる。
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］

本発明は、エネルギー省によって与えられた契約ＤＥ−ＡＲ００００５３３の下、政府の支援を得て行われた。政府は、本発明において特定の権利を有する。

屋外の熱性ストレスは、深刻な公衆衛生上の脅威をもたらし、産業労働力の供給及び生産性を縮小し、したがって、社会の健康及び経済に悪影響を与える。しかしながら、湿度及び風速によって抑圧されることなく人体の局部的な屋外冷却を提供し得る効果的で、かつ、経済的な方法が欠如している。

この背景に対して、本開示の実施形態を開発する必要性が生じる。

いくつかの実施形態において、織物は、（１）母材と、（２）母材内で分散された微粒子フィラーとを含む。織物は、少なくとも約４０％の、９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率を有し、織物は、少なくとも約４０％の、０．３μｍから２μｍの波長範囲にわたる放射の加重平均反射率を有する。

織物のいくつかの実施形態において、母材は少なくとも１つのポリオレフィンを含む。

織物のいくつかの実施形態において、母材はポリエチレン又はポリプロピレンのうちの少なくとも１つを含む。

織物のいくつかの実施形態において、微粒子フィラーは、約１０ｎｍから約４０００ｎｍの範囲のピーク粒子サイズを有する。

織物のいくつかの実施形態において、微粒子フィラーは無機物質を含む。

織物のいくつかの実施形態において、微粒子フィラーは、金属酸化物、金属ハロゲン化物、又は金属硫化物のうちの少なくとも１つを含む。

織物のいくつかの実施形態において、微粒子フィラーは、酸化亜鉛、臭化カリウム、ヨウ化セシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、又は硫化亜鉛のうちの少なくとも１つを含む。

織物のいくつかの実施形態において、微粒子フィラーと母材との間の屈折率の差は、母材の屈折率に対して少なくとも約±５％である。

織物のいくつかの実施形態において、９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率は、少なくとも約６０％である。

織物のいくつかの実施形態において、０．３μｍから２μｍの波長範囲にわたる放射の加重平均反射率は、少なくとも約６０％である。

織物のいくつかの実施形態において、母材は多孔性である。

織物のいくつかの実施形態において、母材内の細孔の体積百分率は、少なくとも約５％である。

織物のいくつかの実施形態において、母材内の細孔は、約１０ｎｍから約４０００ｎｍの範囲のピーク細孔サイズを有する。

織物のいくつかの実施形態において、織物は、母材及び母材内で分散された微粒子フィラーを含む繊維を含む。

織物のいくつかの実施形態において、織物は、母材及び母材内で分散された微粒子フィラーを含むフィルムを含む。

さらなる実施形態において、織物は、（１）母材と、（２）母材内で分散された微粒子フィラーを含む。織物は、少なくとも約４０％の、９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率を有し、織物は、特定の色に対応する可視領域内の波長で反射率のピークを有する。

織物のいくつかの実施形態において、微粒子フィラーは、半金属、金属酸化物、又は金属シアン化物のうちの少なくとも１つを含む。

さらなる実施形態において、人体の温度を調整する方法は、人体に隣接して、前述の実施形態のうちのいずれか１つの織物を配置する段階を含む。

さらなる実施形態において、多孔性の織物を形成する方法は、（１）溶媒、少なくとも１つの高分子、及び微粒子フィラーの混合物を形成する段階であって、微粒子フィラーは、少なくとも約４０％の、９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率を有する無機物質を含み、微粒子フィラーは、約１０ｎｍから約４０００ｎｍの範囲のピーク粒子サイズを有する、段階と、（２）混合物を押出して、織物であって、溶媒及び織物内で分散された微粒子フィラーを含む、織物を形成する段階と、（３）織物から溶媒を抽出して多孔性の織物を形成する段階とを含む。

方法のいくつかの実施形態において、少なくとも１つの高分子はポリオレフィンを含む。

方法のいくつかの実施形態において、微粒子フィラーは、酸化亜鉛、臭化カリウム、ヨウ化セシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、又は硫化亜鉛のうちの少なくとも１つを含む。

本開示の他の態様及び実施形態も予期される。前述の発明の概要及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図するのではなく、単に本開示のいくつかの実施形態を説明することを意図しているに過ぎない。

本開示のいくつかの実施形態の性質及び目的をより良好に理解するために、添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照されたい。

いくつかの実施形態の多孔性フィルムの図である。

いくつかの実施形態の非多孔性フィルムの図である。

いくつかの実施形態の（ａ）織られた織物、（ｂ）多孔性高分子繊維、及び（ｃ）非多孔性高分子繊維の図である。

（ａ）屋外環境において、太陽光の下の人体の入熱経路及び出熱経路を示す図。（ｂ）太陽光を反射し、人体の熱放射を透過することによって放射屋外冷却するように設計された、ナノ細孔ポリエチレン（ＰＥ）織物に組み込まれた酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノ粒子の図。（ｃ）波長範囲において境界部の重なりを有することを示す、約３４℃の皮膚温度でプランクの法則（Ｐｌａｎｃｋ'ｓ ｌａｗ）を用いてシミュレーションされた、ＡＭ１．５Ｇの太陽放射スペクトル及び人体の熱放射スペクトルの比較。

（ａ）０．０１μｍから１０μｍまで変化する粒子径を有する、０．４〜１６μｍの波長範囲にわたるポリエチレンの媒質内の単一のＺｎＯ粒子の正規化された散乱断面積のシミュレーション。（ｂ）ポリエチレンの媒質内のＺｎＯ粒子と同じ３２０ｎｍの直径を有する空気孔との間の正規化された散乱断面積の比較。ナノ細孔ポリエチレンに組み込まれた複数のＺｎＯ粒子の（ｃ）太陽光反射率及び（ｄ）中赤外線透過率がＺｎＯの粒子サイズ及び密度に依存する。（ｃ）及び（ｄ）における各データ点について、散乱断面積は、±０．１μｍの分散を有する粒子サイズの正規分布に平均化される。太陽光反射率は、０．４μｍから４μｍの太陽放射照度スペクトルにわたって平均化される。中赤外線透過率は、４μｍから１６μｍの人体の熱放射波長の範囲にわたって平均化される。（ｅ）（ｃ）及び（ｄ）における３次元プロットの密度対サイズ平面への投影。白い領域は、ＺｎＯ粒子の最適な密度及びサイズを示す。ここで、高い太陽光反射率及び高い中赤外線透過率の両方が実現され得る。

（ａ）太陽光の下のＺｎＯ−ＰＥの織物の画像。（ｂ）ＺｎＯ粒子の実質的に一様な分布を示す、ＺｎＯ−ＰＥサンプルに対するＸ線コンピュータ断層画像の側面図及び上面図。挿入図は、動的な光散乱を用いて測定されたＺｎＯの粒子径の分布形状であり、約５００ｎｍでピークとなる。（ｃ）融解押出によって作成されたＺｎＯ−ＰＥ繊維のロールの画像。ＺｎＯ−ＰＥフィルムサンプルの（ｄ）上面及び（ｅ）横断面を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像。（ｆ）個々のＺｎＯ粒子の形態を示す高倍率ＳＥＭ画像。（ｇ）積分球で測定された、紫外線領域から中赤外線領域（約０．３〜約１６μｍ）のＺｎＯ−ＰＥの反射率スペクトル及び透過率スペクトル。斜線部分は、参照のため、ＡＭ１．５Ｇ太陽放射スペクトル（左）及び人体の放熱スペクトル（右）を示す。

（ａ）屋外の試験環境における熱測定配置の画像。（ｂ）皮膚をシミュレーションしたヒーター、シミュレーションした皮膚温度を測定する熱電対、及びシミュレーションした皮膚を覆う織物サンプルを含む熱測定配置の図。（ｃ）スタンフォード、カリフォルニアの晴れた春の日で約４時間の期間にわたって風対流の下、ＺｎＯ−ＰＥで覆われた皮膚シミュレーションヒーター、綿で覆われた皮膚シミュレーションヒーター、及び露出した皮膚シミュレーションヒーターで測定された温度の比較。周囲温度及び太陽放射照度の両方が、参照のため、測定及びプロットされる。（ｄ）（ｃ）の測定結果に基づいて、約３４℃の通常の皮膚温度を維持するために、ＺｎＯ−ＰＥで覆われた皮膚シミュレーションヒーター、綿で覆われた皮膚シミュレーションヒーター、及び露出した皮膚シミュレーションヒーターによる計算されたさらなる冷却力の要求。（ｅ）風対流及び汗の蒸発の下、ＺｎＯ−ＰＥで覆われた皮膚シミュレーションヒーター、綿で覆われた皮膚シミュレーションヒーター、及び露出した皮膚シミュレーションヒーターで測定された温度の比較。（ｆ）ＺｎＯ−ＰＥで覆われた皮膚シミュレーションヒーター、綿で覆われた皮膚シミュレーションヒーター、及び露出した皮膚シミュレーションヒーターについて、（ｄ）の１３：００での冷却力の要求及び織物を通る水の蒸発率（図１２）と水の気化熱との積として推定された汗の蒸発によって供給された冷却力の比較。

人体の皮膚の紫外線−可視光−近赤外線（ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ）反射率及びフーリエ変換型赤外線（ＦＴＩＲ）放射率。

綿のＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ反射率及びＦＴＩＲ透過率。

紫外線領域から中赤外線領域（０．３〜１６μｍ）までのＺｎＯ−ＰＥの測定された（実線）反射率スペクトル及び透過率スペクトルと、シミュレーションされた（破線）反射率スペクトル及び透過率スペクトルとの比較。以下のパラメータは、シミュレーションが実験値と厳密に一致するよう想定される。２０％の多孔率を有する２００ｎｍの平均空気孔径、２：５のＺｎＯ：ＰＥの質量比、ｄ＝０．５μｍ±０．１μｍのＺｎＯの粒子径の正規分布、及び１５０μｍのフィルム厚さ。斜線部分は、参照のため、ＡＭ１．５Ｇ太陽放射スペクトル（左）及び人体の放熱スペクトル（右）を示す。

太陽及び影の下で、織物によって覆われることなくシミュレーションした皮膚ヒーターの測定された皮膚温度。

太陽光の下で衣服を身に着けた人体の熱伝達モデルの図。

綿で覆われた皮膚及びＺｎＯ−ＰＥで覆われた皮膚に対する測定値を用いて、伝熱モデル分析から計算された皮膚温度の比較。

ＺｎＯ−ＰＥで覆われた皮膚、綿で覆われた皮膚、及び露出した皮膚からの水の蒸発率。

（ａ）太陽光反射率及び（ｂ）中赤外線透過率へのＺｎＯ−ＰＥ層の厚さの効果。ナノ複合材料層の厚さが増加するとトレードオフが観察される。ここで、約８０μｍから約１６０μｍの厚さが、高い太陽光反射率及び中赤外線透過率を同時に実現するのに最適である。

約３０分間洗浄剤及び撹拌力でＺｎＯ−ＰＥの織物材料を洗浄する前後の水のＺｎ^２＋濃度を定量化するための誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ）測定。結果は、微量のＺｎＯ（約２０億分の２（ｐｐｂ））が、洗浄サイクルの間に水にリリースされたことを示す。これは、ＰＥがＺｎＯ粒子を密着して包むことに起因した、入れ子構造の良好な耐久性を実証する。

サンプル上の残留塩化メチレンを検出するためのクロロホルム−ｄに溶解した織物サンプルの^１Ｈ核磁気共鳴（ＮＭＲ）スペクトル（上）。下の曲線は、ブランク参照としてのクロロホルム−ｄ（^１ＨＮＭＲ測定に対する溶媒）からのものである。約７．２６ｐｐｍでのピークは、クロロホルム−ｄに対応する。約１．５６ｐｐｍでの水のピークは、大気から吸収された微量の水分に起因する。塩化メチレンに対するピーク位置は、約５．３ ｐｐｍであるはずであり、これはサンプル曲線に不在である。これらの測定結果は、塩化メチレンが非常に揮発性であり、蒸発によって実質的に十分に除去され得ることを裏付ける。空気中で約２時間乾燥した後、残留塩化メチレンが織物サンプルから検出されなかった。

黒色がミクロンサイズのシリコン粒子をポリエチレンに加えることによって実装され、これも約４μｍから約１８μｍの波長範囲で高い赤外線透過性を示す。（ａ）黒色のＳｉ−ＰＥ複合フィルムが示される。（ｂ）黒いＳｉ−ＰＥ繊維が他の着色ポリエチレン繊維と共に示される。（ｃ）Ｓｉ−ＰＥ複合フィルムの赤外線透過スペクトル。

（ａ）赤外線透過性無機顔料ナノ粒子をＰＥと混合することによって形成される、放射性冷却織物の着色の設計の図。混合された複合材料が、次に、大規模な産業処理によって織り合わせた織物を編み上げるために連続した繊維に押出され得る。選択した無機顔料粉末の（ｂ）写真及び（ｃ）ＦＴＩＲ吸収度スペクトル。（ｄ）プルシアンブルー（ＰＢ）、（ｅ）酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、及び（ｆ）シリコン（Ｓｉ）のナノ粒子のＳＥＭ画像。

顔料ナノ粒子−混合ポリエチレン複合材のフィルムの（ａ）写真、（ｂ）ＵＶ−ＶＩＳ反射率、（ｃ）ＦＴＩＲ透過率、及び（ｄ）可視の不透明度のスペクトル。

（ａ）産業的な押出によって製造された着色ポリエチレン繊維の３つの糸巻きの写真。（ｂ）引張強度試験は、着色ポリエチレン繊維が綿に相当する引張強度を有することを実証する。（ｃ）青色のＰＢ−ＰＥ、（ｄ）赤色のＦｅ_２Ｏ_３−ＰＥ、及び（ｅ）黄色のＳｉ−ＰＥの押出繊維の光学顕微鏡写真。（ｆ−ｈ）編み上げパターンを示す光学顕微鏡写真。（ｉ−ｋ）良好な着用性を有する編み上げられた織物の写真。

（ａ）着色ポリエチレン織物の測定された総ＦＴＩＲ透過率。（ｂ）着色ポリエチレン織物を洗浄した後の水におけるそれぞれの金属イオンの無視できるほどの（ｐｐｂレベル）な濃度の増加を示す図。（ｃ）露出した皮膚シミュレーションヒーター及び織物で覆われた皮膚シミュレーションヒーターで測定された温度の比較。織物サンプルは、綿、ＰＢ−ＰＥ、Ｆｅ_２Ｏ_３−ＰＥ、Ｓｉ−ＰＥ、及びナノ細孔ポリエチレン（ナノＰＥ）を含む。（ｄ）露出した皮膚、並びに、綿の織物で覆われた人間の皮膚、ＰＢ−ＰＥの織物で覆われた人間の皮膚、Ｆｅ_２Ｏ_３−ＰＥの織物で覆われた人間の皮膚、及びＳｉ−ＰＥの織物で覆われた人間の皮膚の赤外線画像。

本開示の実施形態は、スペクトル選択的織物を対象とする。いくつかの実施形態において、太陽光反射性、赤外線（ＩＲ）透過性の粒子が組み込まれた高分子の織物が屋外の装着者に提供され、屋外環境における直射日光の下で熱的快適性を維持する冷却力を実現する。

人体と屋外環境との間の熱交換は、伝導、対流、蒸発、及び放射を含む。したがって、屋外の熱的快適性を維持することは、熱利得を減らし、熱損失を強化することによって、熱性ストレスを減らすことを含む。その他の手法は、屋外冷却を実現するために衣服の蒸発性熱損失及び対流性熱損失に主に重点を置いているが、これらの２つの熱放散経路は両方とも、湿度や風速等の環境条件に強く依存するそれ自身の制約を有する。太陽放射照度及び熱放射経路が、それらが熱交換の全体に大きく貢献するにもかかわらず、屋外の織物に対して適切に考慮されていない。通常の織物とは異なって、赤外線透過性の織物は、人体によって放射されるＩＲの低吸収性を有して高い割合の太陽光を反射し、さらなるエネルギーを消費することなく放射伝熱の入力を減らして同時に放射伝熱の出力を強化し、その結果、装着者は、屋外環境でより涼しく感じる。さらに、高分子の複合材料が押出することによって繊維に形成され得、織られた織物が織ることによって当該繊維から形成され得、それによって、肌に密着した織物として快適性及び通気性を提供する。したがって、織物は、大量生産するのに適している。そのため、本開示の実施形態は、屋外の個人冷却のための太陽光反射性、赤外線透過性の織物を提供し、これは、肌に密着した織物の快適性を維持して、大規模にも実現できる。

いくつかの実施形態の赤外線透過性の織物は、人体によって放出される赤外線放射の低吸収性を有し、よって、赤外線放射が環境に自由に透過され、装着者がより涼しく感じることにつながり得る。一方、織物内で分散された微粒子フィラーが織物に提供され、これは直射日光の下で冷却効果を提供するために太陽放射照度スペクトルを散乱するのに役立つ。さらに、織物は多孔性であり得、織物内の細孔は織物に通気性を与え得、伝導及び対流による熱放散を増加させ得る。織物は微粒子フィラーが組み込まれた多孔性フィルムとして形成され得、又は、繊維ベースの織物構造で形成され得る。細孔が提供されて微粒子フィラーが組み込まれた高分子繊維が押出しや溶媒抽出等の処理によって大規模で形成され得、織られた織物が織る等の処理によって大規模でそのような繊維から形成され得る。

いくつかの実施形態の織物は、単一の高分子又は２又はそれより多くの異なる高分子の混合物を含む。いくつかの実施形態において赤外線透過性を与えるべく、約４μｍから約２０μｍ又は約４μｍから約１６μｍの中赤外線領域での放射の低吸収性等の、赤外線放射の低吸収性を有する高分子又は高分子の混合物が用いられ得る。そのような実施形態において、適切な高分子は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン、及びその他の熱可塑性のポリオレフィン又はポリオレフィンエラストマを含む。ＰＥの場合において、適切な分子量は、低密度ＰＥ（ＬＤＰＥ）、高密度ＰＥ（ＨＤＰＥ）、及び超高分子量ＰＥ（ＵＨＭＷＰＥ）の範囲であり得る。ＰＥは、例えば、ＰＰ、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ビニロン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリアミド（例えば、ナイロン）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエステル、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、共重合体、他の熱可塑性の高分子、天然高分子等の他のポリマーと混合され又は少なくとも部分的に当該他のポリマーと置換され得る。ポリオレフィンの代わりに又はポリオレフィンと組み合わせて、Ｃ−Ｏ、Ｃ−Ｎ、芳香族のＣ−Ｈ、及びＳ＝Ｏの官能基の１又は複数を実質的に欠いている高分子等、及び、約１ｍｍｏｌｅ／ｇ以下、約０．１ｍｍｏｌｅ／ｇ以下、約０．０１ｍｍｏｌｅ／ｇ以下、約０．００１ｍｍｏｌｅ／ｇ以下、又は約０．０００１ｍｍｏｌｅ／ｇ以下の１又は複数のこれらの官能基の含有量を有する高分子等の赤外線放射の低吸収性を有する他のポリマーが用いられ得る。いくつかの実施形態において、適切な高分子は、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％、又は少なくとも約８０％、及び、最大で約９０％まで、最大で約９５％まで、最大で約９８％まで、又はこれより高い９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率を有する。いくつかの実施形態において、適切な高分子は、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％、又は、少なくとも約８０％、及び、最大で約９０％まで、最大で約９５％まで、又はこれより高い７〜１４μｍの波長範囲にわたる赤外線放射の加重平均透過率を有する。例えば、織物を形成する間、抗酸化剤、抗菌剤、着色剤若しくは染料、水ウィッキング剤（例えば、綿）、金属、木、絹、羊毛等の１又は複数の添加剤が含まれ得る。１又は複数の添加剤が、高分子又は織物内に含まれる高分子の混合物内で分散され得る。

いくつかの実施形態の織物は、高分子又は高分子の混合物の母材内で分散された微粒子フィラーも含む。微粒子フィラーは、織物に含まれる高分子又は高分子の混合物に対する屈折率の差異を提供し、中赤外線領域であまり散乱しないが所望のスペクトルにおいて選択的に光を散乱する、特に、所望のスペクトルにおいて光を強く散乱する。いくつかの実施形態において、微粒子フィラーが、約４００ｎｍから約７００ｎｍの可視領域における放射、及び７００ｎｍから約４μｍの近赤外線領域における放射を包含する約３００ｎｍから約４μｍの範囲の太陽放射照度スペクトルにおける光を選択的に散乱するようサイジングされ、且つ、材料組成を有し、それによって、直射日光下での冷却効果を提供する。他の実施形態において、微粒子フィラーが、可視領域における特定の波長又は色を選択的に散乱するようサイジングされ、且つ、材料組成を有し、それによって、着色効果を提供する。例えば、微粒子フィラー（及びそのような充填剤を含む織物）は、特定の色（例えば、青色）の外観をもたらす当該特定の色に対応する可視領域内の特定の波長（例えば、約４５０ｎｍ）で反射率のピークを有し得、又は、他の特定の色（例えば、黄色）の外観をもたらす当該他の特定の色に対応する可視領域内の他の特定の波長（例えば、約６００ｎｍ）で反射率のピークを有し得、又は、他の特定の色（例えば、赤色）の外観をもたらす当該他の特定の色に対応する可視領域内の他の特定の波長（例えば約７５０ｎｍ）で反射率のピークを有し得、及びその他波長で反射率のピークを有し得る。

いくつかの実施形態において、微粒子フィラーと高分子又は高分子の混合物との間の屈折率の相対差は、（例えば、５８９ｎｍで測定された可視光に対して）織物に含まれる高分子又は高分子の混合物の屈折率に対して少なくとも約±１％、例えば、少なくとも約±５％、少なくとも約±８％、少なくとも約±１０％、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％、少なくとも約±４０％、少なくとも約±４５％、又は少なくとも約±５０％等である。いくつかの実施形態において、微粒子フィラーと高分子又は高分子の混合物との間の屈折率の絶対差は、（例えば、５８９ｎｍで測定された可視光に対して）織物に含まれる高分子又は高分子の混合物の屈折率に対して少なくとも約±０．０１、例えば、少なくとも約±０．０５、少なくとも約±０．１、少なくとも約±０．１５、少なくとも約±０．２、少なくとも約±０．２５、少なくとも約±０．３、少なくとも約±０．３５、少なくとも約±０．４、少なくとも約±０．４５、少なくとも約±０．５、又は少なくとも約±０．５５等である。微粒子フィラーの屈折率は、織物に含まれる高分子又は高分子の混合物の屈折率より高くても低くてもよい。

充填剤の適切な材料の例は、可視領域の放射、近赤外線領域の放射、及び中赤外線領域の放射を包含する約３００ｎｍから約２０μｍの範囲で放射の低吸収性を有する無機物質、例えば、半金属（例えば、シリコン）、金属酸化物（例えば、酸化亜鉛及び酸化鉄）、金属ハロゲン化物（例えば、臭化カリウム、ヨウ化セシウム、塩化カリウム、及び塩化ナトリウム）、金属硫化物（例えば、硫化亜鉛）、金属シアン化物（例えば、プルシアンブルー）等を含む。いくつかの実施形態において、充填剤に適切な材料は、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％、又は、少なくとも約８０％、及び、最大で約９０％まで、最大で約９５％まで、最大で約９８％まで、又はそれより高い９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率を有する。いくつかの実施形態において、充填剤に適切な材料は、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％、又は少なくとも約８０％、及び最大で約９０％まで、最大で約９５％まで、又はそれより高い７〜１４μｍの波長範囲にわたる赤外線放射の加重平均透過率を有する。充填剤が、中赤外線領域の放射の代わりに可視領域及び近赤外線領域の放射を主に散乱するようサイジングされる。例えば、充填剤は、可視光の波長及び中赤外放射の下方の波長に相当するように（例えば、ナノ粒子として）ナノサイジングされ得る。いくつかの実施形態において、充填剤は、より大きい又はより小さい充填剤も予期されるが、約１０ｎｍから約４０００ｎｍ、約１０００ｎｍから約４０００ｎｍ、約１００ｎｍから約１０００ｎｍ、約１００ｎｍから約９００ｎｍ、約１００ｎｍから約８００ｎｍ、約１００ｎｍから約７００ｎｍ、約１００ｎｍから約６００ｎｍ、約１００ｎｍから約５００ｎｍ、約１００ｎｍから約４００ｎｍ、約１００ｎｍから約３００ｎｍ、約５００ｎｍ及び約１０００ｎｍ、約２００ｎｍ及び約９００ｎｍ、約３００ｎｍ及び約８００ｎｍ、約４００ｎｍ及び約７００ｎｍ、又は約４００ｎｍ及び約６００ｎｍの範囲の平均粒子サイズ又はピーク粒子サイズを有する。いくつかの実施形態において、粒子サイズの分布は、所望の波長の散乱放射を与えるよう制御され得る。例えば、充填剤は、サイズが比較的均一であり得る。粒子サイズの標準偏差は、平均粒子サイズの約５０％以下、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、約３０％以下、約２５％以下、又は約２０％以下等である。いくつかの実施形態において、織物内の充填剤の数密度は、少なくとも約０．１μｍ^−３、少なくとも約０．５μｍ^−３、少なくとも約１μｍ^−３、少なくとも約２μｍ^−３、少なくとも約４μｍ^−３、又は、少なくとも約６μｍ^−３、及び最大で少なくとも約８μｍ^−３まで又はこれより大きい。充填剤は規則的又は不規則な形をし得、約３又はこれより小さい、又は約３より大きいアスペクト比を有し得る。

いくつかの実施形態の織物は多孔性である。織物の細孔は、充填剤と共に所望のスペクトルの光を選択的に散乱することに寄与するようサイジングされ得る。例えば、細孔は、可視光の波長及び中赤外放射の下方の波長に相当するように（例えば、ナノ細孔として）ナノサイジングされ得る。いくつかの実施形態において、細孔は、より大きい又はより小さい細孔も予期されるが、約１０ｎｍから約４０００ｎｍ、約１０００ｎｍから約４０００ｎｍ、約１００ｎｍから約１０００ｎｍ、約１００ｎｍから約９００ｎｍ、約１００ｎｍから約８００ｎｍ、約１００ｎｍから約７００ｎｍ、約１００ｎｍから約６００ｎｍ、約１００ｎｍから約５００ｎｍ、約１００ｎｍから約４００ｎｍ、約１００ｎｍから約３００ｎｍ、約５００ｎｍ及び約１０００ｎｍ、約２００ｎｍ及び約９００ｎｍ、約３００ｎｍ及び約８００ｎｍ、約４００ｎｍ及び約７００ｎｍ、又は約４００ｎｍ及び約６００ｎｍの範囲の平均細孔サイズ又はピーク細孔サイズを有する。いくつかの実施形態において、細孔サイズの分布は、所望の波長の散乱放射を与えるよう制御され得る。例えば、細孔は、サイズが比較的均一であり得る。細孔サイズの標準偏差は、平均細孔サイズの約５０％以下、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、約３０％以下、約２５％以下、又は約２０％以下等である。細孔サイズは、例えば、Ｂａｒｒｅｔ−Ｊｏｙｎｅｒ−Ｈａｌｅｎｄａモデルを用いて決定され得る。いくつかの実施形態において、織物内の細孔の体積百分率は、少なくとも約１％、少なくとも約５％、少なくとも約１０％、少なくとも約１５％、又は少なくとも約２０％、及び、最大で約３０％まで又はこれより多い。いくつかの実施形態において、少なくともいくつかの細孔が相互接続され得、通気性を高め、相互接続された細孔を通る伝導熱放散及び対流熱放散を高める。細孔は規則的又は不規則な形をし得、約３又はこれより小さい、又は約３より大きいアスペクト比を有し得る。

いくつかの実施形態の織物は、細孔１０４を有し、微粒子フィラー１０６が組み込まれた高分子又は高分子の混合物の母材１０２を含む多孔性フィルム１００として形成され得（図１（ａ）参照）、又は、高分子又は高分子の混合物の母材１１２を含み、微粒子フィラー１１６が組み込まれた非多孔性フィルム１１０として形成され得る（図１（ｂ）参照）。さらなる実施形態の織物は、繊維ベースの織られた織物２００として形成され得る（図２（ａ）参照）。織られた織物２００の場合において、織物２００に含まれる多孔性高分子繊維２０２は、細孔２０６を有する細長い部材２０４と、細長い部材２０４内に分散された微粒子フィラー２０８とを含む。代替的に、又はこれと共に、織物２００に含まれる非多孔性高分子繊維２１２は、細孔を欠く細長い部材２１４と、細長い部材２１４内で分散された微粒子フィラー２１８とを含む。概して、高分子繊維は、円形断面形状、及び、例えば、マルチローバル、八角形、楕円形、五角形、長方形、正方形、台形、三角形、楔形等の様々な他の規則的又は不規則な断面形状を有し得る。繊維面が、例えば、親水性、抗菌特性、着色、テクスチャリング等のさらなる特性を与えるよう化学的又は物理的に修正され得る。例えば、親水剤のコーティング等のコーティングが、親水性を与えるよう繊維面に適用され得る。いくつかの実施形態において、高分子繊維は、繊維の単一体形成するのに接合され、又はそうでなければ組み合わされる複数の（例えば、２又はそれより多くの）細長い部材を含む。細長い部材のうちの少なくとも１つは、その中で分散された微粒子フィラーを含み、細長い部材は、同じ高分子（又は同じ高分子の混合物）又は異なる高分子（又は異なる高分子の混合物）を含み得る。細長い部材が様々な構成で配置され得る。例えば、細長い部材は、コア−シース構成、海島状構成、母材又はチェッカーボード構成、セグメント−パイ構成、サイド−バイ−サイド構成、ストライプ構成等で配置され得る。高分子繊維のさらなる実施形態が、中空構造、ブロック構造、グラフト構造等を有するよう実現され得る。

いくつかの実施形態において、織物は、押出及び溶媒抽出の処理によって形成される。特に、高分子又は高分子の混合物が、灯油等の溶媒内で微粒子フィラーと組み合わされて、混合物を形成し得る。混合物内の溶媒の体積百分率は、溶媒抽出後、少なくとも約１％、少なくとも約５％、少なくとも約１０％、少なくとも約１５％、又は、少なくとも約２０％、及び最大で約３０％まで又はこれより多い体積百分率等の、結果として生じる織物内の細孔の所望の体積百分率を取得するよう選択され得る。 灯油の代わりに、又は灯油と組み合わせて、例えば、固形ワックス、鉱油等の他の適切な液体溶媒又は固体が、用いられ得る。また、例えば、水ウィッキング剤、着色剤等の１又は複数の添加剤が、混合物に含まれ得る。混合物は、次に、その中で分散された溶媒を含むフィルム又は高分子繊維を形成するよう押出デバイスを通って押出され得、ナノ細孔を残すよう溶媒が抽出される。蒸発等の他の抽出方法が予期されるが、溶媒の抽出は塩化メチレン等の抽出剤の薬浴に浸水することによって実行され得る。一旦形成されると、いくつかの実施形態の高分子繊維が、個々の繊維又は複数の繊維の糸に含まれるもののいずれかとして織られた織物を形成するために様々な処理を受け得る。例としては、織る処理（ｗｅａｖｉｎｇ）、編む処理（ｋｎｉｔｔｉｎｇ）、フェルト形成する処理（ｆｅｌｔｉｎｇ）、ブレイズにする処理（ｂｒａｉｄｉｎｇ）、プレイトする処理（ｐｌａｉｔｉｎｇ）等を含む。いくつかの実施形態において、異なる色をもたらすために異なる微粒子フィラーを含む高分子繊維が特定の比率で組み合わされて又は混合されて、所望の色を有する織られた織物を形成する。

いくつかの実施形態の織物は、様々な利益を示し得る。いくつかの実施形態において、織物は、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％、又は、少なくとも約８０％、及び、最大で約９０％まで、最大で約９５％まで、最大で約９８％まで、又はこれより高い９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率を有する。いくつかの実施形態において、織物は、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％、又は、少なくとも約８０％、及び、最大で約９０％まで、最大で約９５％まで、又はこれより高い７〜１４μｍの波長範囲にわたる赤外線放射の加重平均透過率を有する。いくつかの実施形態において、織物は、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％、又は、少なくとも約８０％、及び、最大で約９０％まで、最大で約９５％まで、最大で約９８％まで、又はこれより高い０．３〜２μｍの波長範囲にわたる放射の加重平均反射率を有する。

いくつかの実施形態の織物は、単一層の布内の又は多層布の複数の（例えば、２又はそれより多くの）層の間の単一層のいずれかとして、布に組み込まれ得る。多層布の場合において、織物が積層され得、又はそうでなければ、他の織物材料（例えば、綿又はポリエステル）の１又は複数の層等の１又は複数のさらなる層と組み合わされ得る。結果として生じる布は、衣服及び履物等の様々な衣料品、並びに医薬品等の他の製品に用いられ得る。 ［例］

以下の例は、当業者に説明を示して提供するために、本開示のいくつかの実施形態の具体的な態様を説明する。例は単に本開示のいくつかの実施形態を理解して実行する際に有用な具体的な方法を提供するに過ぎないので、例は本開示を限定するものとして解釈されるべきでない。
［例１］
受動的放射性屋外個人冷却のために無機−有機母材を用いるスペクトル選択的織物

［概要］

本明細書では、この例は、無機−有機複合母材を用いる放射性屋外冷却織物を実証する。約９０％を超える太陽放射照度を反射し、人体の熱放射を選択的に透過することによって、この織物は、人体の熱発生率に相当する熱発生率（約１０４Ｗ／ｍ^２）を有する皮膚シミュレーションヒーターがピークの日光の下で、綿のような通常の織物と比較して約５℃から約１３℃の過熱を回避することを可能にし得る。その優れた受動的冷却能力及び大規模製造との互換性のおかげで、この放射性屋外冷却織物は、多くの態様から社会に広く利益をもたらすと期待できる。

［結果と考察］

屋外空間は、様々な不可欠な身体動作に順応する日々の生活において避けられない部分である。例えば、個人の身体的健康及び精神的健康を維持するために屋外のレクリエーション活動が極めて重要であることが長い間認識されてきた。さらに、例えば、農業、造園、採掘、建築、輸送等の社会経済に著しく寄与する広範囲の職業は、広範な屋外の労働作業を含む。しかしながら、屋外活動を実行しているときにしばしば遭遇する１つのリスクは、過剰な熱性ストレスにさらされることである。熱性ストレスが人体によって効果的に放散されてないとき、異常高熱が発生し、熱中症、熱性疲労、及び熱けいれんという生命を脅かす臨床症候群を引き起こす。熱性ストレスが米国における自然災害による死亡の主な原因であることが報告されている。熱に由来する生理学的影響及び心理学的影響はまた、産業労働の生産性及び供給の減少をもたらし、これは、特に発展途上国において、全体的な経済及び社会福祉に最終的に影響を与える。地球温暖化という状況の中で、日常生活、並びに職業分野、スポーツ分野、及び軍事分野に対する屋外の熱性ストレスの健康及び経済の脅威は、より強く頻繁になるだろう。最近の分析は、熱によって引き起これる問題の年間コストが２０３０年までに約２．４兆ドルに達することを推定する。

したがって、屋外冷却が多くの局面で所望されるが、そのオープンな性質に起因して、依然として大きな課題となっている。空調を簡単に実装できる屋内空間とは異なって、エネルギー集約型の暖房、換気、及び空調（ＨＶＡＣ）システムを用いて屋外環境の膨大な開放空間を冷却することは、非現実的で不経済である。これらの状況下における所望の解決策は、衣服を通じて人体を局部的に冷却することである。現在のところ、屋外の衣服に用いられる冷却技術は、水分のウィッキングを含み、これは、汗を皮膚から生地の外面に引き離すことによって代謝熱を除去することを促進し、その結果、皮膚と生地との間に閉じ込められている場合より汗が簡単に空気に蒸発し得る。しかしながら、この技術は、身体的及び精神的な悪化又は死さえ引き起こし得る脱水症の潜在的なリスクを含む発汗に頼っている。その上、周囲空気の湿度が発汗の蒸発を抑制するのに十分なほど高いとき、その効果は非常に抑圧される。衣服を冷却するための他の技術は、相変化物質を組み込むこと及び冷却空気又は液体を循環することを含む。それにもかかわらず、これらの技術は、分厚いパック又は管を含有することに起因する低下した可動性及び不快感、並びに、時間の経過による補充又は電力消費に起因する高コスト等、それらを市場で広く採用することを妨げるいくつかの欠点を有する。

放射性冷却織物は、それがエネルギー入力を全く含有することなく熱放射を放出する人体の固有の能力を利用するので、魅力的な戦略として認識される。屋内環境について、赤外線（ＩＲ）透過性の織物がかなりの個人冷却を受動的に提供し得ることが実証される。しかしながら、直射日光の下の屋外の放射性冷却織物は、太陽放射照度からのかなりの外部加熱（約１０００Ｗ／ｍ^２）及び相当な内部体温の発熱（約１００Ｗ／ｍ^２）に起因する著しくより大きな課題を示す。

本明細書では、この例は、約９０％を超える太陽放射照度の反射率及び人体の熱放射の高い透過率を有する、屋外の放射性冷却織物の改善した概念を実証する。材料特性及び構造的なフォトニック工学の組み合わせが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノ粒子をナノ細孔ポリエチレン（ＺｎＯ−ＰＥ）に組み込むことによって選択的なスペクトル応答を有するこの織物を開発するのに用いられる。ＺｎＯ−ＰＥが、人間の皮膚の熱発生率に相当する約１０４Ｗ／ｍ^２の熱発生率を有する皮膚シミュレーションヒーターが、約９００Ｗ／ｍ^２にわたるピーク太陽放射照度を有する典型的な屋外環境下で、綿のような通常の織物と比較して、約２００Ｗ／ｍ^２を超える冷却力に対応する約１０℃を超える過熱を回避することを可能にできることが実験的に示される。さらに、汗の蒸発が作用し始めるとき、放射性冷却織物は、さらに、綿と比較して最大で約８℃まで皮膚シミュレーションヒーターの過熱を回避し得る。これらの結果は、受動的な屋外冷却用に織物の放射特性を選択的に調整する優れた能力を実証する。この改善された織物は、屋外の利益を利用するようにより多くの人々を魅了する屋外の熱的快適性の改善をもたらし得る。

人体と屋外環境との間の熱交換は、図３のａに示される。人体の総熱性ストレスが、

として規定され得る。ここで、Ｐ_ｇｅｎは代謝熱発生率であり、Ｐ_ｓｕｎは太陽放射照度からの熱利得割合であり、Ｐ_ｒａｄ、Ｐ_ｅｖａｐ、Ｐ_ｃｏｎｖ、及びＰ_ｃｏｎｄはそれぞれ、放射、蒸発、対流、及び伝導による正味の熱損失割合である。

したがって、屋外の熱的快適性を維持することは、熱利得を減らして、熱損失を強化することによって、熱性ストレスを減らすことを含む。比較対象の手法は、屋外冷却を実現するために衣服の蒸発性熱損失及び対流性熱損失に主に重点を置いているが、これらの２つの熱放散経路は両方とも、湿度や風速等の環境条件に強く依存するそれ自身の制約を有する。太陽放射照度期間及び熱放射期間が、それらが熱交換の全体に大きく貢献するにもかかわらず、織物に対してあまり考慮されていない。図３のｃに示されるように、太陽放射照度スペクトル（ＡＭ１．５Ｇ）が、約１０００Ｗ／ｍ^２の総出力密度を有する約０．３μｍから約４μｍに及ぶ可視領域及び近赤外線領域に主に分配される。約６０％を超える総太陽放射照度が、露出した皮膚の平均太陽光反射率の値（図７）に基づいて、露出した皮膚によって吸収され得る。一方、人間の皮膚は、約０．９８の赤外線放射率（図７）を有する良好な赤外線放出体である。約３４℃の皮膚温度で、人体は、約９．５μｍの波長でのピーク放射及び約１００Ｗ／ｍ^２の正味の放射出力密度を有する約７μｍから約１４μｍまでの間の中赤外線領域で主に熱放射を放出する。綿（白色）のような通常の織物は、約６０％の平均太陽光反射率を有し、太陽放射照度の出力の大部分が皮膚によって吸収されることを可能にする（図８）。これと共に、綿の低ＩＲ透過率は、人体の熱放射の効率的な放散を妨げる（図８）。太陽放射照度スペクトルと人体の熱放射スペクトルとの間の境界部の重なりにより（図３のｃ）、強い太陽光反射と高い中赤外線透過率とを有するスペクトル選択的放射性織物が提案され、屋外冷却のために放射伝熱の入力を減らして同時に放射伝熱の出力を強化する。

図３のｂは、ナノ多孔性ＰＥ（ナノＰＥ）母材内に組み込まれたＺｎＯナノ粒子（ＮＰ）でできている、提案された屋外の放射性冷却織物の図を示す。脂肪族Ｃ−Ｃ結合及びＣ−Ｈ結合でできているポリエチレンは赤外線透過性であり、したがって、屋内冷却のために人体の放熱を実質的に十分に透過し得る。しかし、約１．５というその比較的低い屈折率ｎに起因して、その太陽光反射率は屋外目的に満足なものではない。無機固体は、典型的に、高分子より高い屈折率を有し、その中でＺｎＯは約２という高い屈折率ｎを有し、かつ、可視波長（約４００ｎｍ）から最大で中赤外線波長（約１６μｍ）までのわずかな吸収率も有する。それらの材料特性によって、ＺｎＯ及びＰＥの組み合わせは、屋外冷却目的に所望の放射選択性を構成するための基材として特に適している。

数値最適化が構造的なフォトニック工学を用いて無機−有機母材設計に実行され、スペクトル選択的放射特性を導出する。図４のａは、粒子径を０．０１μｍから１０μｍに変化して、０．４μｍから１６μｍのスペクトル波長にわたるＰＥの媒質内で球形状のＺｎＯ粒子の正規化された散乱断面積をシミュレートする。０．１μｍ未満の粒子サイズ又は１μｍを超過した粒子サイズでは、散乱断面積は、波長範囲全体にわたって全て小さいか又は全て大きいかのいずれかであり、スペクトルにわたって低い選択性をもたらす。太陽光の波長に相当する０．１μｍと１μｍとの間の粒子サイズでは、中赤外線の散乱が小さいままでありつつ、可視領域及び近赤外線領域において選択的に散乱断面積を著しく増加する強いミー散乱が発生する。この結果は、約０．１μｍから約１μｍの範囲内のＺｎＯの粒子サイズを適切に選択することによって、可視及び近赤外における高い反射率及び中赤外線における高い透過率を実現することを可能にすることを示す。さらに、ＺｎＯ粒子及び空気孔の散乱断面積が、同じ直径で（例えば３２０ｎｍ、図４のｂ）ＰＥ媒質内で比較される。当該比較はＺｎＯ粒子が空気孔より可視領域でより強い散乱を誘導することを示し、より高い可視光反射率を実現するためのＺｎＯの利点をさらに示す。最終的に、詳細な計算が実行されて、太陽光反射率（図４のｃ）及び中赤外線透過率（図４のｄ）に対するＺｎＯの粒子サイズ及び密度の効果を決定する。粒子サイズ及び密度が増加すると、中赤外線透過率が減少するが太陽光反射率が増加し、図４のｅで予測される最適化された領域（白色の領域）をもたらす。

数値最適化からのガイダンスを考慮すると、ＺｎＯ−ＰＥの織物が、灯油内でＺｎＯ：ＰＥ＝約２：５の重量比（油に対するＰＥの比率は、約１から５）でＺｎＯ粒子を融解したポリエチレンと混合することによって実験的に製造され、次に、複合混合物を融解プレスして薄膜にし、最終的に、塩化メチレンを有するフィルムから灯油を抽出する。結果として生じるＺｎＯ−ＰＥフィルムは太陽の下で白色を示し（図５のａ）、全ての角度からの全ての可視光の強い散乱を示す。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）での調査により、ＰＥ母材にランダム組み込まれたＺｎＯ粒子を有する織物の多孔性構造（細孔の占有体積は約２０％から約３０％）が明らかにされた（図５のｄ−ｆ）。Ｘ線顕微鏡を用いた織物サンプルのＸ線コンピュータ断層走査は、体積全体内でＺｎＯ粒子の実質的に一様な分布を示した（図５のｂ）。それらの直径が、動的な光散乱を用いて、約０．５μｍでピークを有して主に約０．３μｍから約０．８μｍの間であると特徴付けられ（図５のｂ）、数値上最適化された粒子サイズと合致する。

ＺｎＯ−ＰＥの光学特性が、積分球を用いた紫外線−可視光−近赤外線（ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ）及びフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光法を用いて測定された。測定されたスペクトルは、太陽光領域で約９０％を超える高い反射率を、約７μｍから約１４μｍの間で約８０％の高い透過率を示す。ここで、人体の熱放射は集中型である（図５のｇ）。測定されたスペクトルは理論的シミュレーション結果（図９）とよく合致し、放射性屋外冷却織物の基準を満たすべく、そのようなスペクトル選択的要素を実現するための適切な材料の重要な選択及び合理的な構造フォトニック設計に有効である。

本明細書では、屋外の人体冷却を実現することを目的として、使用されている織物それ自体が、（高い熱透過率の代わりに）非常に低い熱放射及び強い太陽光反射を有する。その放射特性は放射冷却の他の手法とは全く異なり、本明細書の手法は本出願の性質に応じて放射冷却の多様な機会をさらに強調する。より重要なことは、当該手法は、材料が織物を編む又は織るために繊維に押出され得る、という特有の特徴を有する織物の用途のために具体的に設計される（図５のｃ）。

カリフォルニア州スタンフォードで晴れた春の日のＺｎＯ−ＰＥ放射性冷却織物の屋外の性能の実証が行われる。図６のａに示される測定配置は、底面への熱損失を防ぐための泡状物質の上面に配置される皮膚をシミュレーションするヒーターと、シミュレーションした皮膚温度を測定するためのヒーター面上の熱電対と、シミュレーションした皮膚を覆う織物サンプルとを含む（図６のｂ）。約１０４Ｗ／ｍ^２の加熱電力入力が、皮膚の代謝熱発生率をシミュレートするヒーターに適用された。全体配置が直射日光の下にあり、空気にさらされながら、皮膚シミュレーションヒーターの実時間温度が正午の前後で約４時間の間記録された。図６のｃに示されるように、風対流及び１３：００（現地時間）前後の約９１０Ｗ／ｍ^２のピーク太陽放射照度の下、ＺｎＯ−ＰＥで覆われた皮膚シミュレーションヒーターは、白色の綿で覆われた皮膚シミュレーションヒーターの温度（４５．６℃）及び露出した皮膚シミュレーションヒーターの温度（５３．１℃）よりはるかに低い約３３．５℃の温度を表示した。織物サンプルのないこれらの皮膚シミュレーションヒーターの温度が太陽光及び影の両方の下で同じであり（図１０）、測定された温度差は織物の効果によってもたらされたことを裏付けることに留意する。ＺｎＯ−ＰＥで覆われた皮膚シミュレーションヒーターの特に低い温度は、太陽からの入熱を減らすその高い太陽光反射率及び放射熱出力を強化した人体の熱放射へのその高い透過率に帰因するＺｎＯ−ＰＥの優れた冷却力を実証する。伝熱モデル分析を用いて図６のｃの試験条件下で約３４℃の通常の皮膚温度を実現すべく、この織物サンプルによるさらなる冷却力の要求の計算が実行される（補足事項、図１１及び図１２）。１１：００から１５：００（現地時間）までの日中にわたって、綿で覆われた皮膚シミュレーションヒーター及び露出した皮膚シミュレーションヒーターはそれぞれ、約１１６Ｗ／ｍ^２から約２１９Ｗ／ｍ^２及び約３０５Ｗ／ｍ^２から約４５４Ｗ／ｍ^２のさらなる冷却力を規定し、一方、ＺｎＯ−ＰＥは、代わりに皮膚シミュレーションヒーターを受動的に冷却してさらなる冷却力を供給することなく、約３４℃をわずかに下回る温度を維持した（図６のｄ）。

さらに、汗の蒸発がさらなる冷却力を提供し得ることが考慮され、これは、織物を通る水の蒸発率（図１３）及び水の気化熱（約４４ｋＪ／ｍｏｌ）の積として推定された。しかしながら、推定された蒸発による冷却力の供給は、風対流及び約９１０Ｗ／ｍ^２のピーク太陽放射照度の下で、綿で覆われた皮膚シミュレーションヒーター及び露出した皮膚シミュレーションヒーターの冷却力の要求をまだ補償できない（図６のｆ）。リアルタイムの屋外測定が、風対流及び約９００Ｗ／ｍ^２から約１０５０Ｗ／ｍ^２の太陽放射照度の下、汗の蒸発効果を考慮してヒーターの上面の水で浸された多孔性層で実行される（図６のｅ）。追加の汗の蒸発効果として、ＺｎＯ−ＰＥは、約３４℃で皮膚シミュレーションヒーターの温度をさらに維持し、一方で、約５℃から約８℃及び約９℃から約１５℃の過熱がそれぞれ、綿で覆われた場合及び露出した場合で観察され、これは熱分析結果と矛盾がなく、屋外環境における放射冷却の優位性をさらに裏付ける。

太陽光反射率及び中赤外線透過率に対するＺｎＯ−ＰＥ層の厚さの効果についてさらに考慮される（図１４）。約１０μｍから約６４０μｍの範囲内でナノ複合材料層の厚さが増加するとトレードオフが観察される。ここで、約８０μｍから約１６０μｍまでの厚さが、高い太陽光反射率及び中赤外線透過率を同時に実現するのに最適である。

さらに、ＺｎＯ−ＰＥの織物材料の安定性及び耐久性が、誘導結合プラズマ質量分析を用いて洗浄する前後の水のＺｎイオン濃度を測定することによって評価された（図１５）。結果は、微量のＺｎＯ（約２０億分の２（ｐｐｂ））が洗浄サイクルの間に水にリリースされたことを示す。これは、ＰＥがＺｎＯ粒子を密着して包むことに起因した、入れ子構造の良好な耐久性を実証する。また、^１Ｈ核磁気共鳴（ＮＭＲ）を用いた測定結果は、塩化メチレンが非常に揮発性であり、蒸発によって実質的に十分に除去され得ることを裏付ける（図１６）。

さらに、黒色がミクロンサイジングされたシリコン粒子をＰＥに加えることによって実装され、これも約４μｍから約１８μｍの波長範囲で高い赤外線透過性を示す（図１７）。

要約すれば、この例は、好ましくは、材料特性及び構造的なフォトニック工学の組み合わせによって人体の受動的な屋外冷却ためのスペクトル選択的放射特性をＺｎＯ−ＰＥの織物を示した。本明細書で実証されたピークの日光の下での顕著な屋外冷却性能は、温暖化している気候に伴うますます激しくて頻繁な屋外の熱性ストレスという膨大な課題に直面するための、通常の織物には見当たらない特徴である、受動的な放射性の熱放散メカニズムの卓越性を表す。ＺｎＯ−ＰＥのさらなる利点は、大規模製造とのその実用的な互換性を含む。他の人工的な織物材料（例えば、ナイロン及びポリエステル）と同様に、実用性のために着用の快適性を改善すべく、着用性の修正処理がＺｎＯ−ＰＥに適用され得る。さらに、水分のウィッキング特性を組み込むようＺｎＯ−ＰＥの繊維形状を設計することによって、放射熱放散及び蒸発熱放散の両方の共働機能を可能にし得る。

［材料及び方法］

［ＺｎＯ−ＰＥ放射性屋外冷却織物の製造］

ＺｎＯ−ＰＥ複合材料が、約２００℃の温度で高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ、約２．２ｇ／１０ｍｉｎのメルトインデックス、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ）及び超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）を有するＺｎＯ粒子（約９９．９％、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ）を灯油内（ｌｉｇｈｔ、Ｆｉｓｈｅｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）でＺｎＯ：ＨＤＰＥ：ＵＨＭＷＰＥ＝約２：４：１の重量比で混合することによって製造された。灯油の量は、ポリエチレンの重量の約５倍だった。混合物は、次に、約７０℃から約１００℃で薄膜に融解プレスされた。最終的に、灯油が塩化メチレン（約９９．９９％、Ｆｉｓｈｅｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）を用いてフィルムから抽出された。ＺｎＯ−ＰＥ繊維が商業的な押出機を用いて融解押出された。

［材料の特性評価］

ＳＥＭ画像がＦＥＩ Ｓｉｒｉｏｎによって撮像された（５ｋＶ）。Ｘ線コンピュータ断層走査が、ＺＥＩＳＳ Ｘｒａｄｉａ ５２０ ＶｅｒｓａＸ線顕微鏡を用いて実行された。ＺｎＯの粒子径の分布形状が、Ｍａｌｖｅｒｎ Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ Ｎａｎｏ ＺＳを用いて特徴付けられた。ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲの反射率及び透過率が、拡散積分球を有するＡｇｉｌｅｎｔ Ｃａｒｙ ６０００ｉ ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ分光光度計を用いて測定された。赤外線反射率及び透過率が、拡散金積分球（ＰＩＫＥ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）を伴うＦＴＩＲ分光計（Ｍｏｄｅｌ６７００、Ｔｈｅｒｍｏ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）を用いて測定された。

［屋外熱測定］

皮膚が、シリコンゴム絶縁フレキシブルヒーター（Ｏｍｅｇａ、約３９ｃｍ^２）を用いてシミュレーションされた。ヒーターが、代謝熱発生率をシミュレートすべく約１０４Ｗ／ｍ^２の熱出力密度を提供する電源（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ２４００）に接続された。断熱材が、皮膚ヒーターによって生成された熱が周囲環境に選択的に伝わることを保証すべく、シミュレーションした皮膚ヒーターの下に配置された。リボンタイプの温接点熱電対（直径約０．３ｍｍ、Ｋタイプ、Ｏｍｅｇａ）が、ヒーターの上面と接触してシミュレーションした皮膚温度を測定した。織物サンプルが皮膚シミュレーションヒーターにわたって覆われた。デバイス全体が、アルミめっきが施されたマイラーの層で覆われた木のフレームによって支えられていた。試験中、配置が直射日光及び空気にさらされた。ＺｎＯ−ＰＥで覆われた皮膚シミュレーションヒーター及び綿で覆われた皮膚シミュレーションヒーター、並びに覆われていない皮膚シミュレーションヒーターに対する実時間温度及び周囲温度の測定が行われた。直接及び拡散太陽放射照度が全天日射計（Ｋｉｐｐ＆Ｚｏｎｅｎ ＣＭＰ ６）を用いて記録された。汗の蒸発効果の測定について、汗の蒸発効果をシミュレートすべく、炭素コーティングされたアルミニウム泡状物質の薄い層が、水に浸され、ポリドーバミンコーティングされたナノＰＥフィルムで密閉され、ヒーターの上部に配置された。

［水の蒸発率の試験］

この試験手順は、修正を加えたＡＳＴＭ Ｅ９６に基づいている。約１００ｍｌの媒質ボトル（Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）が約４０ｍｌの蒸留水で充填され、次に、オープントップのキャップ及びシリコンガスケット（Ｃｏｒｎｉｎｇ）を用いて織物サンプルによって密閉された。密閉されたボトルが、次に、環境室に配置された。室の内部の温度及び相対湿度はそれぞれ、約３５℃及び３０±１０％で保持されていた。サンプル共にボトルの総質量が定期的に測定された。次に、水の蒸発率を導出すべく、蒸着した水に対応する減少した質量が、さらされた領域（直径約３ｃｍ）及び時間で割られた。

［ＺｎＯ組み込みポリエチレンからの透過及び反射のモデル］

光学的な透過及び反射をシミュレートすべく、ＺｎＯ組み込みＰＥ材料は、均一に分配された散乱粒子を含むランダム媒質としてモデル化される。単一ＺｎＯナノ粒子の光学的な散乱特性がミー理論を用いて計算され得る。計算に用いられるＺｎＯの光学的なパラメータは、Ｗ．Ｌ．Ｂｏｎｄ「いくつかの結晶の屈折率の測定（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｉｃｅｓ ｏｆ Ｓｅｖｅｒａｌ Ｃｒｙｓｔａｌｓ）」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ３６、１６７ （１９６５）及びＭ．Ｒ．Ｑｕｅｒｒｙ「光学係数（Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｓｔａｎｔｓ）」（ＭＩＳＳＯＵＲＩ ＵＮＩＶ−ＫＡＮＳＡＳ ＣＩＴＹ、１９８５）で発見され得る。異なる波長で異なるサイズを有する粒子の散乱断面積が計算される。複数のＺｎＯナノ粒子組み込みＰＥのシミュレーションについて、散乱断面積は、±０．１μｍの分散を有するＺｎＯの粒子サイズの正規分布に平均化される。

そのようなランダム媒質を通る光学的な透過は、Ｃｈａｎｄｒａｓｅｋｈａｒ放射透過理論を用いてシミュレーションされ得る。ＺｎＯナノ粒子が等方性の散乱としてモデル化され、これは、各ＺｎＯ粒子が異なる形状を有し得ると仮定すると良好な近似であるが、巨視的な平均光学特性が織物の性能に影響を与える。散乱粒子を含むスラブ領域を通る透過率が、

として取得され得る。ここで、ρはＺｎＯナノ粒子の密度であり、σ_ａｖｇは平均散乱断面積であり、ｈは材料の厚さである。

式（１）は、無限ホスト媒質のスラブ領域に散乱粒子が組み込まれる状況に適用する。ＺｎＯ組み込みＰＥが空気中に浮かんだフィルム構造であることを考慮すると、全体的な透過率Ｔ_{ｏｖｅｒａｌｌ}は、したがって、有効媒質としてのフィルム構造の透過率Ｔ_ｆを式（１）で取得した透過率と個別に乗算すること、すなわち、

によって計算される。

材料の吸収は対象の波長範囲では無視できるほど小さいので、ＺｎＯ組み込みＰＥフィルムの全体の反射率は、Ｒ_{ｏｖｅｒａｌｌ}＝１−Ｔ_{ｏｖｅｒａｌｌ}として計算される。

［補足事項］

［さらなる冷却力の要求の伝熱モデル分析］

１次元の定常状態伝熱モデル分析が、屋外条件で３４℃の皮膚温度を実現すべく、皮膚によるさらなる冷却力の要求を決定するのに用いられる（図１１）。このモデルにおいて、人体の熱利得は、太陽放射照度及び代謝発熱からのものである。熱放射、伝導、及び対流が含まれ、衣服を身に着けた人体から周囲空気への熱放散をシミュレートする（図７）。

織物で覆われた皮膚について、皮膚表面及び織物の外面でのエネルギー収支の式が、以下のようにして表され得る。

皮膚表面で、

織物の外面で、

織物内の温度プロファイル以下のようにして近似され得る。

露出した皮膚について、皮膚表面でのエネルギー収支の式は、

である。

本明細書では、ｑ_ｇｅｎは、単位領域ごとの代謝熱発生率であり、ｑ_ｃｏｏｌは、さらなる冷却力の供給である。ｑ_{ｒｅｄ，ｓｋｉｎ}は皮膚からの放射熱流束であり、ｑ_{ｒｅｄ，ａｍｂ}は周囲空気からの放射熱流束であり、ｑ_{ｒａｄ，ｔｉ}は織物の内側面からの放射熱流束であり、ｑ_{ｒａｄ，ｔｏ}は織物の外面からの放射熱流束であり、ｑ_{ｃｏｎｄ，ａｉｒ}は皮膚と織物との間の空隙における伝熱性の熱流束であり、ｑ_ｃｏｎｖは織物から周囲空気への対流熱流束である。フーリエの法則、冷却のニュートンの法則、及びシュテファン−ボルツマンの法則に基づいて、伝熱性、対流、及び放射熱流束の項が以下のようにして表わされ得る。

全ての入力パラメータが、以下の表１にリスト化される。
［表１］伝熱モデル分析の入力パラメータ

屋外の熱試験の間、さらなる冷却力が供給されず、すなわち、ｑ_ｃｏｏｌ＝０である。図６のｃにおける測定されたＰ_ｓｕｎ、Ｔ_ｓｋｉｎ及びＴ_ａｍｂの値を用いて、異なる時間での対流伝熱係数ｈが、露出した皮膚の場合に対する式（６）を用いて試験期間にわたってフィッティングされる。フィッティングされた対流伝熱係数ｈの値を用いて、ＺｎＯ−ＰＥの場合及び綿の場合に対する皮膚温度の計算が実行され、これは、測定された皮膚温度の値とよく合致する（図１２）。この結果は、伝熱モデル分析の適用を裏付ける。Ｔ_ｓｋｉｎ＝３４℃及び全ての他の与えられた入力パラメータを式（３）、式（４）、式（５）及び、式（６）に代入することによって、図６のｃの試験条件で３４℃の皮膚温度を維持するためのさらなる冷却力ｑ_ｃｏｏｌの計算が実行される。
［例２］
［受動的放射冷却のための赤外線透過ポリエチレンの織物の着色］

［概要］

人体と環境との間の熱流量を効果的に調整することによって、熱的快適性を改善するだけでなく、建物のエネルギー消費を減らすための改善した費用対効果の高い手法も示す。赤外特性−工業用織物が効果的な人体の冷却及び加温のための放射熱放散を受動的に調整することが示されてきた。しかしながら、実用的な用途の魅力を大きく制約する、所望の赤外特性を損なうことなく可視色の同時制御を可能にすることは、大きな課題のままである。本明細書では、この例は、大規模な産業処理を介して可視色で赤外線透過性の織物を製造すべく、染料分子の代わりの着色構成要素として無機ナノ粒子を、柔軟なホストとしてポリエチレンを利用する戦略を報告する。製造時の複合織物は、約１．６℃から約１．８℃の受動的冷却効果を有する約８０％の高い赤外線透過性を示し、良好な洗浄安定性を有する強い可視色も示す。この容易な着色手法は、効果的なエネルギー保存のための温度調整可能な衣服の用途における放射性の織物の商業化を促進し得る。

［結果と考察］

衣服の熱流量を管理することは、人間の健康及び快適性を改善するために重要な機能である。さらに、例えば、米国における総エネルギーの消費の約１０％より多くを占めている膨大なエネルギーが空間の加熱及び冷却に費やされることを考慮すること、衣服を熱管理することは建物内のエネルギー保存にかなりの影響を有し得る。これは、人口が増加して生活水準が向上するにつれて、増加するエネルギーの要求及び気候変化の問題を軽減するために望まれている。エネルギーのほとんどが空の空間のために無駄である建物レベルの温度調整と対照的に、個人の温度管理戦略は、人体及びその局所的な環境に局部的な加熱及び冷却を提供することを目的とする、より効率的で費用対効果の高い解決策である。

衣服の織物の赤外線（ＩＲ）特性の制御することは、人体の局部的な冷却及び加熱に強い効果を示し得る。例えば、赤外線透過性のナノ細孔ポリエチレン（ナノＰＥ）が約２℃だけ人体を受動的に冷却することが実証され、低い赤外線放射率を有する金属化されたナノＰＥが約７℃だけ人体を加温し得る。これは、人間の皮膚が高い放射率（ε＝約０．９８）を有し、約９．５μｍでピーク強度を有し約７μｍから約１４μｍの赤外波長領域で熱放射を強く放出する黒体のように振る舞うという事実に起因する。したがって、熱放射経路は、屋内条件で約５０％より多くを占める人体の熱放散に不可欠な役割を果たす。比較の織物材料が赤外線放射を制御する能力を欠いているので、これらの調査結果は、個人の温度管理の方向に広がる。

しかしながら、赤外特性の制約は、可視色の外観を同時に制御することを非常に困難にすることを引き起こし得る。色は衣服市場に影響を与える最も重要な要因のうちの１つであるので、このジレンマは実生活においてそれらの実用的な用途を制約する大きな課題のままである。有機生地の染料分子が、Ｃ−Ｏの伸縮（約７．７μｍ〜約１０μｍ）、Ｃ−Ｎの伸縮（約８．２μｍ〜約９．８μｍ）、芳香族Ｃ−Ｈの曲げ（約７．８μｍ〜約１４．５μｍ）及びＳ＝Ｏの伸張（約９．４μｍ〜約９．８μｍ）等の、人体の放熱を強く吸収し得る異なる種類の化学結合を有するという点に課題が存在する。したがって、追加の有機染料が低い赤外線透過性を引き起こし得、それらを放射冷却効果に不適切にさせる。さらに、放射性の織物の基材である、ポリエチレンは、化学的に不活性であり、極性群を欠いており、これは、化学染料の表面接着を抑制する。

この例において、可視と赤外特性制御との間のジレンマが解決され、放射冷却のために高い赤外線透過性を有する着色ポリエチレン織物の実証が報告される。これは、濃度及びサイズを最適化した状態で特定の可視色を反射しつつ、赤外線領域で無視できるほどの吸収作用を有する無機顔料ナノ粒子を成功裏に特定して利用することによって実現する。不安定な表面接着手法よりはむしろ、無機顔料ナノ粒子がポリエチレンの母材に混合され、安定した着色のための実質的に均一な複合材料を形成する。大規模処理を用いて織り合わせた生地を編むために、着色ポリエチレン複合材料が連続的に、且つ、機械的に強い繊維に簡単に押出され得ることがさらに実証される。編まれた生地は、約８０％の高い赤外線透過性及び約１．６℃から約１．８℃の良好な放射冷却性能、並びに水中での洗浄サイクルに対する良好な色安定性も示す。この手法は、放射性の織物の実用的な実装に対する基礎を構築し、より効率的なエネルギー利用のための改善した個人の温度管理を提供する。

着色ポリエチレン織物の提案した設計の図が、図１８のａに示される。赤外線透過性の無機ナノ粒子が、顔料として選択され、ポリエチレンが、柔軟な高分子ホスト又は母材として選択される。これらの２つの構成要素が混合処理によって均一に混合され、形成された複合材料が、次に、織り合わせた生地を織る又は編むために繊維形状に押出され得る。図１８のｂに示されるように、赤外線透明度の基準を満たすことが発見された無機固体は、プルシアンブルー（ＰＢ）、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、及びシリコン（Ｓｉ）を含み、これらはまた、無毒であり、織物に使用するのに安価である。図１８のｃにおけるフーリエ変換型赤外線（ＦＴＩＲ）分光測定は、これらの無機固体がＣ≡Ｎ伸張振動に起因する約４．８μｍでのプルシアンブルーの強くて狭いピーク、及び表面上の天然の酸化ケイ素に起因する約８〜１０μｍのシリコンの弱くて広いピークを除いて、約４〜１４μｍの赤外線の波長範囲で無視できるほどの吸収度を有することを示す。図１８のｄ〜ｆの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の画像で明らかにされるように、それらの粒子サイズは約２０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲で選択された。一方で、このナノスケールサイズの範囲は、約４〜１４μｍの人体の熱放射波長よりはるかに小さい。したがって、これらのナノ粒子は、着色ポリエチレンの混合物の赤外線透過性を減少させる赤外線光の強い散乱を誘導しないだろう。一方で、特定のサイズ範囲における高い屈折率の誘電体又は半導体のナノ粒子は、ミー理論に基づいて可視スペクトル範囲で強い共鳴光散乱を有し得る。したがって、異なる可視色がナノスケールの寸法を制御することによって製造され得る。例えば、バルクシリコンの黒色と対照的に、約１００ｎｍから約２００ｎｍの直径を有するシリコンナノ粒子（６３３ｎｍで屈折率＞約３．８）は、黄色を示し、これは、磁気双極子モード及び電気双極子モードの両方の励起と関連している顕著なミー共鳴応答に由来する。シリコンナノ粒子とは異なり、プルシアンブルー及び酸化鉄ナノ粒子の両方は、バルクとしてそれらの天然色を示す。プルシアンブルーの強い青色はＦｅ（ＩＩ）とＦｅ（ＩＩＩ）との間の原子価間電荷移動と関連しており、一方で、酸化鉄の暗い赤色は約２．２ｅＶのその光学バンドギャップによって決定される。青色、赤色、及び黄色のこれらの三原色によって、可視スペクトル全体にわたる全ての異なる色が、異なる比率でそれらを混合することによって潜在的に作成され得る。

約１８０℃でナノ粒子を融解したポリエチレンペレットと機械的に混合する混合処理が用いられ、これは、実質的に均一な無機固体高分子複合材料を製造する。約１％のナノ粒子の最適化された質量比によって、複合材料は、任意の形状に鋳造するための良好な熱加工性を維持し、可視領域及び赤外線領域の両方に対する光学特性を満たす。ポリエチレン高分子母材の内部の顔料ナノ粒子の実質的に一様な分布により、約１００μｍの厚さを有する鋳造されたＰＢ−ＰＥ複合フィルム、Ｆｅ_２Ｏ_３−ＰＥ複合フィルム、及びＳｉ−ＰＥ複合フィルムはそれぞれ、青色、赤色、及び黄色の均一で強い色を示す（図１９のａ）。複合フィルムの紫外線−可視光（ＵＶ−ＶＩＳ）分光測定はそれぞれ、約４５０ｎｍ、約６００ｎｍ、及び約７５０ｎｍでの主要な反射波長を明らかにし、プルシアンブルー、酸化鉄、及びシリコンナノ粒子の元の色によく合致する（図１９のｂ）。可視光の強い反射及び吸収は、可視領域の約８０％を超える高い不透明度（正透過度−１として規定）をもたらし（図１９のｄ）、これは、織物の後ろのオブジェクトが認識されることを防ぐ衣類の基本機能を満たす。さらに、赤外線領域において、複合材料の全てが、約８０％の高い透明度を示し（図１９のｃ）、放射冷却効果を実現するために人体の放射熱が環境に透過することを可能にする。

さらに、高スループットの融解紡糸機械を用いて着色ポリエチレン複合材料を複数のフィラメント糸に押出する実証が行われる（図２０のａ）。図２０のｃ〜ｅの光学顕微鏡画像によって明らかにされるように、押出された糸はそれぞれ、約３０μｍから約５０μｍの直径の１９個の単一のフィラメント繊維でできている。顔料ナノ粒子が繊維の内部に実質的に均一に組み込まれていることも明白である。さらに、機械的強度試験は、着色ポリエチレン複合材料の糸が約１．９Ｎから約２．８Ｎの最大引張力を維持し得ることを示し、これは通常の衣類の生地に用いられる綿糸に相当する（図２０のｂ）。機械的強度は、糸を良好な通気性、柔軟性、及び機械的強度を有する大規模に織り合わせた生地にさらに編むことを可能にした（図２０のｆ〜ｋ）。織り合わせた編み上げパターンを取り込むことによって、着色ポリエチレン複合材料の生地は約８０％の高い赤外線透過率をさらに示し（図２１のａ）し、これは、図１９のｃに示される平面型の固体フィルムの赤外線透過率と略同じである。さらに、着色ポリエチレンの生地の安定性及び耐久性が、誘導結合プラズマ質量分析を用いて洗浄の前後の水のＦｅイオン、Ｋイオン、及びＳｉイオンの濃度を測定することによって評価された（図２１のｂ）。イオン濃度の無視できるほどの変化は、Ｆｅ_２Ｏ_３ナノ粒子、プルシアンブルーナノ粒子、及びＳｉナノ粒子がポリエチレン高分子母材によって堅く包まれていることを裏付けおり、これにより、顔料ナノ粒子を水にリリースすることなく洗浄サイクルを維持し、元の色を維持し得る。

最終的に、着色ポリエチレン織物の熱性能の特性評価が行われる。ゴム絶縁フレキシブルヒーターが皮膚の発熱をシミュレートするのに用いられ、異なる織物サンプルで覆われたときの温度応答が記録された。配置全体が室内に含まれ、室の内部の取り囲む空気温度が約２５℃で実質的に一定に維持された。人体の代謝熱発生率に相当する約８０Ｗｍ^−２の熱出力密度で、露出した皮膚ヒーターは約３３．５℃の温度を示した。皮膚ヒーターが通常の綿織物で覆われたとき、皮膚温度が約３６．５℃に上昇した（図２１のｃ）。ＰＢ−ＰＥの織物、Ｆｅ_２Ｏ_３−ＰＥの織物、及びＳｉ−ＰＥの織物で覆われたとき、皮膚温度が約３４．７℃から約３４．９℃の範囲で測定され、綿と比較して約１．６℃から約１．８℃の人体を受動的に冷却するそれらの能力を実証した。赤外線カメラが、人間の皮膚に着色ポリエチレン織物を着用しながら放射冷却効果を可視化して確認するのに用いられる（図２１のｄ）。熱画像下での比較は、着色ポリエチレン織物が通常の綿織物よりはるかに良好な環境への人体の放射熱の透過を可能にすることを明瞭に示す。

要約すれば、この例は、可視色で赤外線透過性の織物の大規模製造のための無機顔料ナノ粒子に基づいて改善した手法を実証し、比較の織物として多様な色で魅力を示しつつ、人体の放射熱のより効率的な放散を可能にし得る。プルシアンブルー、酸化鉄、及びシリコンを含む顔料材料が、無視できるほどの赤外線吸収作用、無毒性、及び低コストという全ての条件を満たすことが発見され、これらはそれぞれ、青色、赤色、及び黄色の原色を生成し得る。可視スペクトル全体にわたって広がる異なる色が、異なる比率でこれらの三原色を混合することによって潜在的に作成され得る。大規模の混合を通じて、最適化したナノ粒子の濃度及びサイズでの押出処理及び編む処理により、製造時の複合織物は、強い可視色、約８０％の高い赤外線透過性、約１．６℃から約１．８℃の受動的冷却効果、及び良好な洗浄安定性を示す。本明細書で示された手法は、放射性の織物の着色の重要な障壁を解決し、エネルギー効率が高くて費用対効果の高い衣服を熱管理する技術の応用への移行に役立つ。

［材料及び方法］

［織物の製造］
ポリエチレンの着色が、２軸スクリュー混合物（Ｐｏｌｙｍｅｒｓ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ）を用いて約１８０℃で溶解した高密度ポリエチレンペレット（メルトインデックス：１０分ごとに約２．２ｇ、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ）を有する、プルシアンブルー（ＡＣＲＯＳ Ｏｒｇａｎｉｃｓ）、酸化鉄（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ、９９％）、及びシリコン（ＭＴＩ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、１００ｎｍ、９９％）等のそれぞれの無機固体の顔料ナノ粒子を混合することによって行われた。ナノ粒子とポリエチレンとの間の最適化された質量比は、約１：１００である。ナノ粒子が混合されたポリエチレン複合材が、次に、複数のフィラメント融解紡糸機械（Ｈｉｌｌｓ Ｉｎｃ．）を用いて繊維に押出された。織物を編むことは、Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ ａｔ Ｇａｓｔｏｎ ＣｏｌｌｅｇｅによるＦＡＫサンプラー編械を用いて行われた。

［材料特性評価］
押出繊維及び編み上げられた織物の写真が、光学顕微鏡（Ｏｌｙｍｐｕｓ）で撮像された。ＳＥＭ画像がＦＥＩ ＸＬ３０ Ｓｉｒｉｏｎ ＳＥＭによって撮像された（約５ｋＶ）。赤外線の吸収度及び透過率が、拡散金積分球（ＰＩＫＥ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）を伴うＦＴＩＲ分光計（Ｍｏｄｅｌ６７００、Ｔｈｅｒｍｏ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）によって測定された。可視光の反射及び不透明度が、紫外線−可視光分光計（Ａｇｉｌｅｎｔ、Ｃａｒｙ ６０００ｉ）によって測定された。

［熱測定］
皮膚が、電源（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ２４００）に接続されたゴム絶縁フレキシブルヒーター（Ｏｍｅｇａ、約７２ｃｍ^２）を用いてシミュレーションされた。リボンタイプの温接点熱電対（直径約０．３ｍｍ、Ｋタイプ、Ｏｍｅｇａ）が、シミュレーションした皮膚の上面と接触して皮膚温度を測定した。ガードヒーター及び断熱材が、皮膚ヒーターによって生成された熱が周囲に選択的に伝わることを保証すべく、シミュレーションした皮膚ヒーターの下に配置された。ガードヒーターの温度が皮膚ヒーターと同じに設定され、テーブルへの下方の熱伝導が回避された。デバイス全体が室内に含まれ、室の内部の周囲温度が約２５℃で実質的に一定に制御された。皮膚ヒーターの出力密度は、約２５℃の周囲温度で約３３．５℃の皮膚温度の状態にする約８０Ｗｍ^−２で実質的に一定に設定される。皮膚が織物サンプル（約５×約５ｃｍ^２）によって覆われたとき、周囲温度が約２５℃で維持されつつ、定常状態の皮膚の温度応答の測定が行われた。熱画像が、較正熱カメラ（ＭｉｋｒｏＳＨＯＴ、Ｍｉｋｒｏｎ）によって撮像された。

［機械的試験］
引張強度試験が、Ｉｎｓｔｒｏｎ ５５６５によって測定された。糸のサンプルが、約４ｃｍの長さに切断された。ゲージ距離は約２ｃｍの長さであり、変位速度が約１０ｍｍ／ｍｉｎで維持された。

［洗浄試験］
編み上げられた織物が、約３０分間の撹拌中に清浄水（約８０ｍｌ）の中で洗浄された。洗浄の前後の水が集められ、次に、洗浄中に織物サンプルからリリースされた金属イオン（プルシアンブルー、酸化鉄、及びシリコンの場合はそれぞれＫ、Ｆｅ及びＳｉ）の量を定量化すべく、誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ）を用いて試験された。

本明細書で用いられるように。単数形「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈がそうでないことを明確に規定しない限り、複数の指示対象を含み得る。したがって、例えば、あるオブジェクトの参照は、文脈がそうでないことを明確に規定しない限り、複数のオブジェクトを含み得る。

本明細書で用いられるように、用語「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」、「実質的（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ）」、及び「約（ａｂｏｕｔ）」は、小さな変形例を記述して説明するのに用いられる。事象又は状況と共に用いられるとき、当該用語は、事象又は状況が正確に発生する例、及び事象又は状況が近似的に発生する例を指し得る。例えば、数値と共に用いられるとき、当該用語は、±５％より小さい又はこれに等しい、±４％より小さい又はこれに等しい、±３％より小さい又はこれに等しい、±２％より小さい又はこれに等しい、±１％より小さい又はこれに等しい、±０．５％より小さい又はこれに等しい、±０．１％より小さい又はこれに等しい、又は、±０．０５％より小さい又はこれに等しい等の、その数値の±１０％より小さい又はこれに等しい変形例の範囲を包含し得る。

本明細書で用いられるように、用語「サイズ（ｓｉｚｅ）」は、オブジェクトの特徴的な寸法を指す。したがって、例えば、球形状であるオブジェクトのサイズは、オブジェクトの直径を指し得る。非球形状であるオブジェクトの場合において、非球形状のオブジェクトのサイズは対応する球体の直径を指し得、当該対応する球体は、非球形のオブジェクトの特性と実質的に同じである、特定の一連の導出可能若しくは測定可能な特性を示す又は有する。特定のサイズを有するものとして一連のオブジェクトを指すとき、オブジェクトが特定のサイズの前後のサイズの分布を有し得ることが予期される。したがって、本明細書で用いられるように、一連のオブジェクトのあるサイズは、平均サイズ、中央値のサイズ、又はピークサイズ等のサイズの分布の典型的なサイズを指し得る。

さらに、量、比率、及び他の数値が、本明細書では、しばしば範囲形式で示される。利便性及び簡潔性のためにそのような範囲形式が用いられることが理解され、範囲の限界として明確に規定された数値を含むだけでなく、各数値及び部分範囲が明確に規定されるかのように当該範囲内に包含される全ての個々の数値又は部分範囲も含むよう柔軟に理解されるべきである。例えば、約１から約２００の範囲は、約１及び約２００の明確に記述された限界を含むだけでなく、約２、約３、約４等の個々の値、及び、約１０から約５０、約２０から約１００等の部分範囲も含むと理解されるべきである。

本開示は、その具体的な実施形態を参照して説明されてきたが、添付した特許請求の範囲によって定義されるものとして本開示の真の主旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更が行われ得、均等物が置換され得ることが当業者によって理解されるべきである。特定の状況、材料、物質の組成、方法、１つ動作又は複数の動作を本開示の目的、主旨及び範囲に適応すべく、さらに、多くの修正が行われ得る。そのような修正の全てが、本明細書に添付された特許請求の範囲内であることが意図される。特に、特定の方法が特定の順序で実行される特定の動作を参照して説明されてきたが、本開示の教示から逸脱することなく均等物の方法を形成すべく、これらの動作が組み合わされ、細分され、又は並べ替えられ得ることが理解されるだろう。したがって、本明細書で具体的に示されていない限り、動作の順序及び分類が本開示に限定されない。

Claims (21)

1. 織物であって、
   母材と、
   前記母材内で分散された微粒子フィラーと
   を備え、
   前記織物は、少なくとも４０％の、９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率を有し、
   前記織物は、少なくとも４０％の、０．３μｍから２μｍの波長範囲にわたる放射の加重平均反射率を有する、
   織物。
2. 前記母材は少なくとも１つのポリオレフィンを含む、請求項１に記載の織物。
3. 前記母材はポリエチレン又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２に記載の織物。
4. 前記微粒子フィラーは、１０ｎｍから４０００ｎｍの範囲のピーク粒子サイズを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の織物。
5. 前記微粒子フィラーは無機物質を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の織物。
6. 前記微粒子フィラーは、金属酸化物、金属ハロゲン化物、又は金属硫化物のうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の織物。
7. 前記微粒子フィラーは、酸化亜鉛、臭化カリウム、ヨウ化セシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、又は硫化亜鉛のうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の織物。
8. 前記微粒子フィラーと前記母材との間の屈折率の差は、前記母材の屈折率に対して少なくとも±５％である、請求項１から７のいずれか一項に記載の織物。
9. ９．５μｍの前記波長での赤外線放射の前記透過率は、少なくとも６０％である、請求項１から８のいずれか一項に記載の織物。
10. ０．３μｍから２μｍの前記波長範囲にわたる放射の前記加重平均反射率は、少なくとも６０％である、請求項１から９のいずれか一項に記載の織物。
11. 前記母材は多孔性である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の織物。
12. 前記母材内の細孔の体積百分率は、少なくとも５％である、請求項１１に記載の織物。
13. 前記母材内の細孔は、１０ｎｍから４０００ｎｍの範囲のピーク細孔サイズを有する、請求項１１又は１２に記載の織物。
14. 前記母材及び前記母材内で分散された前記微粒子フィラーを含む繊維を備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の織物。
15. 前記母材及び前記母材内で分散された前記微粒子フィラーを含むフィルムを備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の織物。
16. 織物であって、
    母材と、
    前記母材内で分散された微粒子フィラーと
    を備え、
    前記織物は、少なくとも４０％の、９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率を有し、
    前記織物は、特定の色に対応する可視領域内の波長で反射率のピークを有する、
    織物。
17. 前記微粒子フィラーは、半金属、金属酸化物、又は金属シアン化物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の織物。
18. 人体の温度を調整する方法であって、
    前記人体に隣接して請求項１から１７のいずれか一項に記載の織物を配置する段階を備える、
    方法。
19. 多孔性の織物を形成する方法であって、
    溶媒、少なくとも１つの高分子、及び微粒子フィラーの混合物を形成する段階であって、前記微粒子フィラーは、少なくとも４０％の、９．５μｍの波長での赤外線放射の透過率を有する無機物質を含み、前記微粒子フィラーは、１０ｎｍからの４０００ｎｍの範囲のピーク粒子サイズを有する、段階と、
    前記混合物を押出して、織物であって、前記溶媒及び前記織物内で分散された前記微粒子フィラーを含む、織物を形成する段階と、
    前記織物から前記溶媒を抽出して前記多孔性の織物を形成する段階と
    を備える、方法。
20. 前記少なくとも１つの高分子はポリオレフィンを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記微粒子フィラーは、酸化亜鉛、臭化カリウム、ヨウ化セシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、又は硫化亜鉛のうちの少なくとも１つを含む、請求項１９又は２０に記載の方法。

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