在氣候變化加劇和能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的背景下，開(kāi)發(fā)能夠維持人體熱舒適性的織物具有重要意義。目前很多研究設(shè)計(jì)織物來(lái)實(shí)現(xiàn)人體的降溫/加熱，然而傳統(tǒng)的織物由于無(wú)法動(dòng)態(tài)響應(yīng)環(huán)境變化，不僅存在安全風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)顯著增加空調(diào)能耗。因此，科研人員致力于開(kāi)發(fā)新型熱調(diào)節(jié)織物，熱調(diào)節(jié)織物主要分為兩類：主動(dòng)式熱調(diào)節(jié)織物依賴于能源的輸入，而被動(dòng)式熱調(diào)節(jié)織物的熱舒適區(qū)間有限。值得注意的是，汗液作為天然的溫控信號(hào)，為開(kāi)發(fā)新型智能織物提供了新思路。然而，如何在不影響穿著舒適性的前提下，實(shí)現(xiàn)紅外輻射和汗液蒸發(fā)的調(diào)控，仍是該領(lǐng)域待突破的難題。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，南京大學(xué)朱嘉/朱斌團(tuán)隊(duì)聯(lián)合武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林/張騫團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)式汗液響應(yīng)熱調(diào)節(jié)織物（PSRT），采用具有單向液體傳輸特性的PA6/金屬雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)調(diào)控中紅外發(fā)射和汗液蒸發(fā)，從而在動(dòng)態(tài)環(huán)境中擴(kuò)大熱舒適區(qū)間。具體而言，該織物能在低溫環(huán)境下（加熱模式）通過(guò)低發(fā)射率（~0.233）有效減少熱輻射損失，而在環(huán)境溫度升高或是人體出汗時(shí)自動(dòng)切換成高發(fā)射率（~0.955）狀態(tài)，增強(qiáng)輻射散熱，加快汗液蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)降溫效果。

該織物采用獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)汗液觸發(fā)的智能響應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱調(diào)節(jié)功能。在低溫環(huán)境中，頂層PA6膜保持紅外高透過(guò)特性，而底層的金屬層發(fā)揮紅外高反射作用，使織物整體呈現(xiàn)低發(fā)射率，有效地減少輻射損耗以實(shí)現(xiàn)加熱的效果。當(dāng)環(huán)境溫度升高或是人體劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，大量汗液產(chǎn)生，汗液通過(guò)汗液通道從皮膚側(cè)單向傳輸?shù)絇A6層，使PA6膜從紅外高透射切換到高發(fā)射態(tài)。這種轉(zhuǎn)變不僅顯著增強(qiáng)輻射散熱，汗液通道的設(shè)計(jì)也促進(jìn)汗液蒸發(fā)，通過(guò)輻射和蒸發(fā)協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)降溫效果。當(dāng)停止產(chǎn)生汗液時(shí)，PSRT織物自主切換回低發(fā)射率從而實(shí)現(xiàn)加熱的效果。

圖1. PSRT織物示意圖

PSRT織物能夠?qū)崿F(xiàn)汗液從Cu層（皮膚側(cè)）到PA6層的快速單向傳輸，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射率由0.233到0.955的快速切換。此外，PSRT織物的汗液蒸發(fā)速率相較于商用棉實(shí)現(xiàn)20%的提升，且達(dá)到接近裸露皮膚的效果。優(yōu)異的光譜性能和蒸發(fā)速率為實(shí)現(xiàn)良好的降溫和加熱性能提供保障。

圖2. PSRT-Cu織物的表征

通過(guò)模擬皮膚的測(cè)試，研究人員對(duì)PSRT織物進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)加熱和降溫性能的評(píng)估。在加熱模式下，被PSRT織物覆蓋的模擬皮膚溫度相較于棉織物實(shí)現(xiàn)1.3~2.9 ℃的提升。在降溫模式下，被PSRT織物覆蓋的模擬皮膚實(shí)現(xiàn)相較于棉織物5.0~6.0 ℃的降溫，達(dá)到接近裸露皮膚的降溫效果。PSRT織物能夠在加熱模式和降溫模式下都能展現(xiàn)出優(yōu)越的性能。

圖3. PSRT-Cu織物的穩(wěn)態(tài)加熱和制冷性能

在環(huán)境溫度變化的場(chǎng)景中，PSRT織物能夠?qū)崿F(xiàn)24.7 ℃的熱舒適區(qū)間（8.3~33 ℃），相較于裸露皮膚和棉織物分別擴(kuò)展了15 ℃和12.5 ℃。而在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的場(chǎng)景中，產(chǎn)生汗液時(shí)該織物比棉織物低2.2~3.4℃。根據(jù)全球17個(gè)氣候區(qū)建筑能耗模擬顯示，該織物相較于棉織物可節(jié)省29.9~125.1 MJ·m-2能量，為應(yīng)對(duì)氣候變化下的節(jié)能穿戴提供了革新性解決方案。

圖4. PSRT-Cu紡織品在動(dòng)態(tài)條件下的溫度調(diào)節(jié)性能

針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于棉的PSRT-Ag織物，通過(guò)絲網(wǎng)印刷銀漿層和親水點(diǎn)焊汗液通道實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。該織物在加熱模式下發(fā)射率為0.484，遇汗液可快速切換至高發(fā)射率0.932，且汗液蒸發(fā)速率比棉快20%，接近裸露皮膚的效果。為模擬人體穿衣效果，在暖體假人上進(jìn)行測(cè)試。與棉織物相比，該織物能在加熱模式下實(shí)現(xiàn)2~3.7 ℃的加熱優(yōu)勢(shì)，而在降溫模式下實(shí)現(xiàn)1.3~1.7 ℃的降溫優(yōu)勢(shì)。通過(guò)實(shí)際人體測(cè)試，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的情況下，紅外相機(jī)記錄其動(dòng)態(tài)調(diào)控的過(guò)程，可以看到在靜止?fàn)顟B(tài)下PSRT-Ag織物能實(shí)現(xiàn)相較于棉織物1.9 ℃的升溫，而在運(yùn)動(dòng)出汗過(guò)后又能實(shí)現(xiàn)1.4 ℃的降溫。此外，在環(huán)境溫度變化的環(huán)境中，該織物在低溫環(huán)境（23 ℃）中可提升體感溫度2 ℃，高溫環(huán)境（28 ℃）下則能降低2 ℃。

圖5. PSRT-Ag織物在實(shí)際穿戴場(chǎng)景中的演示

該研究以題為“A Passive Sweat-Responsive Thermoregulatory Textile with the Largest Thermal Comfort Zone”的論文發(fā)表在《ACS Nano》期刊上。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿