東華大學丁彬教授團隊：三明治結構納米纖維吸濕排汗，使溫度下降約4.2 °C

紡織品作為皮膚與環境的中間層，通過對局部人體熱濕條件的管理，在實現個人舒適和安全方面發揮著至關重要的作用。但是，在炎熱潮濕的戶外環境中進行劇烈運動或陽光照射，仍然會導致人體熱量積聚和過多的汗水。這降低了工業勞動生產率，造成經濟損失。

鑒于此，東華大學丁彬教授和王先鋒教授通過使用組合的相分離聚合物涂層和單面疏水電噴涂涂層制造了一種三明治結構的紡織品。該紡織品結合了光譜選擇性、高比表面積和 Janus 潤濕性，可直接集成戶外輻射冷卻和連續汗液芯吸干燥，適用于個人熱濕管理(PTMM) 應用。三明治結構的紡織品由商業棉紡織品組成，其兩側分別涂有醋酸纖維素分級納米纖維網絡 (CA_HNN) 和水基含氟聚合物 (WFP)。 CA_HNN 和 WFP 涂層都可以像油漆一樣簡單地應用于棉、聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和尼龍等商業紡織品上，使其在實際應用中具有吸引力。 CA_HNN 涂層表現出雙峰分布的孔徑（~0.21 和~1.53 μm），因此提供了寬帶光譜選擇性，使三明治結構的 CA_HNN/棉/WFP 紡織品能夠反射 93.4% 的太陽輻照度并發出 96.3% 的 人體紅外輻射。

這種紡織品具有高比表面積（19.73 m2 g^-1），導致汗液快速蒸發率為 0.26 g h^-1。對人體進行實際戶外冷卻測試表明，與商用棉紡織品相比，這種 CA_HNN/棉/WFP 紡織品的溫度下降了 ～4.2 °C。這種紡織品的輻射冷卻和吸汗排汗特性的協同作用是其出色的 PTMM 性能的原因，從而降低人體汗液消耗并成功避免有害的過度排汗。因此，這種紡織品可以顯著減少人體的汗液消耗和戶外環境中的過度熱應激。相關研究成果以“Sandwich-Structured Textiles with Hierarchically Nanofibrous Network and Janus Wettability for Outdoor Personal Thermal and Moisture Management”為題目發表在期刊《Chemical Engineering Journal》 ( IF 16.744 )。

三明治結構CA_HNN/棉花/WFP紡織品的設計思路

在這項研究中，基于三個關鍵概念，合成了一種三明治結構的 CA_HNN/棉/WFP 紡織品，以集成室外輻射冷卻和連續吸汗排汗特性：(i) 出色的光譜選擇性，可同時反射陽光和發射 HBIR 輻射，(ii) 高比表面積可有效幫助汗液快速蒸發，(iii) Janus 潤濕性可將汗液從皮膚定向吸走并有助于織物外表面的快速干燥。前兩個要求由分層納米纖維網絡涂層解決，該涂層由大量隨機分散在納米纖維結構中的微孔和納米孔組成。為了滿足第三個需求，在原始親水紡織品上涂上單面疏水電噴涂涂層，以獲得整個紡織品厚度的疏水到親水梯度（Janus 潤濕性）。

圖1三明治結構的CA_HNN/棉花/WFP紡織品用于PTMM應用。(a)用分級納米纖維網絡和Jannus潤濕性制備CA_HNN/棉花/WFP紡織品的示意圖。(b)皮膚與環境之間的熱汗傳遞示意圖。在(c)干和(d)濕條件下由商品棉和CAHNN/棉花/WFP紡織品覆蓋的人體皮膚的紅外熱圖像。(e)一張0.6米寬的棉織物的照片，上面一半涂有CA_HNN和WFP。(f)棉花(虛線)和CAHNN/棉花/WFP(實線)紡織品的反射率(黃色曲線，波長為0.3 - 2.5μm)和發射率(藍色曲線，波長為2.5 - 20μm)光譜，繪制了AM1.5太陽光譜和HBIR輻射圖供參考。

三明治結構CA_HNN/棉花/WFP紡織品制備過程

基于組合相分離方法 (E-VIPS)，首先將 CA_HNN 涂層（約 50 μm 厚度）施加到商業棉基材（約 500 μm 厚度）上。該方法涉及共存的溶劑蒸發誘導相分離 (EIPS) 和水蒸氣誘導相分離 (VIPS)。通過刮刀將由 CA（聚合物）、水（非溶劑）和丙酮（揮發性溶劑）組成的均勻溶液滴鑄到棉基材上，并在高相對濕度（~90%）和室溫下在空氣中干燥（~25°C）。丙酮的快速蒸發導致固相CA從液相水中分離出來，溫度顯著下降，導致形成微滴。同時，由于極性水和丙酮分子之間的強化學親和力，水蒸氣隨著溫度的下降開始凝結并擴散到液膜中，從而形成納米液滴。在水完全蒸發后，構建了具有微孔和納米孔的分層納米纖維網絡，該網絡作為外表面用于反向散射陽光和釋放汗水。隨后，將具有疏水性全氟烷基 (-C6F13) 鏈段的 WFP 乳液單面電噴涂在織物的另一側。疏水性 WFP 負載重量由噴霧時間控制。這種單面電噴涂方法提供了通過原始親水織物的厚度來控制疏水涂層深度的機會。因此，在 CA_HNN/棉/WFP 紡織品的整個厚度上構建了 Janus 潤濕性。

圖2 CA_HNN涂層的形成、光學性質和理論分析。三種不同的獨立CA薄膜的SEM圖像(a)固體CA， (b) CA_NN和(c) CA_HNN。(d)測量了不同CA薄膜在太陽波長范圍內的反射率光譜。(e)測量了不同CA薄膜在HBIR波長范圍內的發射光譜。(f) CA的折射率(n，紅色曲線)和消光系數(κ，黑色曲線)顯示了其優越的本征光學特性。(g) CA的ATR-FTIR吸收光譜。(h)模擬CA_HNN涂層中圓形微孔和納米孔的太陽散射效率。

圖3 各種商業紡織品上的CA_HNN涂層的油漆樣的簡單性。原始和涂有CA_HNN的(a)棉花，(b) PET和(c)尼龍紡織品的照片，在約50 μ m厚的CA_HNN涂層的幫助下，顯示不透明的白色外觀和出色的太陽反射率。CA_HNN涂層(d)棉花，(e) PET和(f)尼龍紡織品的截面SEM圖像。測量原始和CA_HNN涂層的棉花、PET和尼龍紡織品在太陽波長范圍內的(g)反射光譜和(h) HBIR波長范圍內的發射光譜。

圖4 雙面潤濕性夾層結構CA_HNN/棉/WFP紡織品的連續吸濕排汗。(a)三明治結構的CA_HNN/棉花/WFP紡織品的WFP涂層側的SEM和EDS映射圖像。(b)不同WFP載荷載荷下CA_HNN/棉/WFP紡織品兩側的毛細水上升和(c)各向異性突破壓力。(d)通過WFP裝載重量為2 g m^?2的CA_HNN/棉花/WFP紡織品的反重力水運(上)和阻礙水運(下)，水滴向上移動分別接觸底部的疏水和親水側。當模擬鹽水分別落在(e)親水側和(f)親水側的頂部中心時，CA_HNN/棉/WFP紡織品兩側的相對含水量。(g)原始和夾層結構紡織品的水分蒸發率。

圖5 CA_HNN/棉/WFP紡織品在戶外環境中的實際表征。(a)圖片和(b)示意圖顯示了用于測量室外冷卻性能的實驗裝置。(c)中國上海不同紡織品覆蓋的皮膚模擬器在連續48小時室外降溫測量中的實時溫度。記錄太陽輻照度(Isolar)和環境溫度，以供參考。(d)覆蓋棉花和CA_HNN/棉/WFP覆蓋皮膚模擬器的溫度跟蹤與汗液蒸發，使用可調節供水來模擬人體汗液。(e)1名志愿者在正午陽光直射下，身穿自制二合一t恤的光學及熱像。

小結

綜上所述，采用復合E-VIPS聚合物涂層和單面疏水電噴霧涂層制備了具有室外輻射冷卻和連續吸濕排汗的三明治結構CA_HNN/棉/WFP紡織品。這些涂層可以像油漆一樣簡單地應用于實際的PTMM應用。所制備的 CAHNN/棉/WFP 紡織品通過結合固有光學特性和分級納米纖維網絡結構提供出色的光譜選擇性，該結構可最大限度地減少來自陽光的熱量輸入并最大限度地提高 HBIR 輻射熱損失。此外，定向水傳輸和快速水蒸發的創新利用確保了出色的水分管理性能，可將汗水從皮膚上吸走，并有效地蒸發冷卻以去除積聚的熱量。