本文发表于《科学通报》2022年11期
纺织品的基本功能是蔽体遮羞、隔湿保暖，保护人们免受环境变化的影响。在健康中国的国家战略下，智能纺织品作为一种便携无感的多场景器件，正致力于通过多学科交叉创新的科学研究赋予纺织品多维应用，对传统纺织工业的革新发展具有重要启示。
全球变暖和极端高温天气日益加剧，长时间暴露于高温侵害和太阳辐射下，会导致人体出现皮肤损伤或中暑反应，直接影响个人健康。因此，在高温场景下如何实现有效的降温是亟需解决的难题。普通纺织品由于缺乏高效的温度调控机制，难以应对周围环境的剧烈温度变化，而通过物理光学、材料科学和纺织工程等多学科交叉融合而衍生的降温纺织品，有望以更加有效和个性化的方式满足个体温度的调节需求。
华中科技大学陶光明教授、湖北省卫生健康委员会张定宇主任与多家科研机构合作，在《科学通报》发表了题为“面向个人热管理的降温纺织品”的评述，重点讨论了包括防紫外线纺织品、凉感纺织品、主动式降温服、辐射降温纺织品在内的降温纺织品（图1）的基本机制、研究进展和应用场景，阐述其发展方向和产业化潜力，并展望降温纺织品在多元化运动和智能化医疗中的广阔前景。
图1 面向个人热管理的降温纺织品示意图。
防紫外线纺织品
太阳辐射主要由紫外光、可见光和近红外光组成，尽管紫外辐射仅占太阳辐射总能量的极小部分（图2），但长期暴露仍然会导致皮肤老化、视力损伤、免疫力降低等健康问题。当紫外线照射到纺织品表面时，为了达到有效的阻隔效果，应增强织物对紫外线的吸收或反射作用来实现人体皮肤防护的功能。影响防紫外线纺织品性能的因素众多，要达到优异的效果需要从纤维、纱线及织物层面优选具有防紫外线性能的材料，还要具备可以上机织造得到紧密织物的条件，或者利用防紫外线助剂对织物进行处理也是提高织物防紫外性能的重要手段。
图2 防紫外纺织品示意图：(a)太阳辐射功率密度，(b)紫外线吸收助剂和(c)反射助剂的作用机理。
凉感纺织品
凉感纺织品主要通过提高纤维导热率、调控纤维的截面结构、引入相变材料以及采用织物后整理技术等方法制备，上述方法使面料具有迅速传热、加速排汗的降温作用或清凉效果，由此来提高人体的舒适性（图3）。比如，通过提高纤维内部分子链取向性、在纤维内部引入高导热材料、构建紧凑结构和高度定向性等方法可以提高纺织品的传导散热能力；而构建凹槽式等截面结构则能有效增强纤维的吸湿性，将人体产生的汗液快速吸收排出；织物亲水整理剂或功能性冷感助剂的使用也可以改善人体热舒适性。此外，将纤维与相变材料集成后，可利用相变材料在相转变时吸收、储存和释放热的性能，延缓织物温度升高或降低的速度，使皮肤适应多变的环境。
图3 凉感纺织品示意图：(a)高导热凉感纺织品示意图；(b)异形纤维吸湿凉感纺织品示意图；(c)后整理技术凉感纺织品示意图；(d)高导热纤维发展历程。
主动式降温服
主动式降温服利用外接电源作为动力（图4），通过风冷或液冷装置控制服装微气候区状态，从而提高人体的传导、对流或蒸发散热。主动式降温服主要针对在矿井、铸造厂、锅炉厂、建造工地等高温环境下作业的人员，可根据工作条件对风力大小、液体流速等参数进行调整，实现良好的降温效果。主动式降温服的设计通常需要涉及电路的连接与控制，并综合考虑重量、功耗等参数，因此，开发更加轻便、降温效果更优且价格更低的主动式降温服是未来发展的趋势。
图4 基于气冷(a)和液冷(e)的主动式降温服示意图：(b)通风夹克、(c)便携式热电转换单元、(d)结合通风系统和相变材料的个体降温服饰；(f)液冷服装、(g)基于液态金属的降温服饰。
辐射降温纺织品
辐射降温技术通过选择性的光谱调控，使面向天空的常温地表物体可以通过大气透明窗口（8~13 μm）向宇宙辐射热量，同时高效阻挡太阳辐射波段（0.3~2.5 μm）的能量输入。辐射降温纺织品（图5）包括中红外高透过型和中红外高发射型两种，均可以被动地为人体局部微环境降温，且目前已经利用规模化、高通量、全自动的纺织织造技术实现了批量稳定的制备，展现了极高的商业化潜力。如何能在有效降温的基础上达到与日常衣物相当的可穿戴性、鲁棒性和色彩多样性，从而应用于更广泛的场景，将是辐射降温纺织品面临的一大挑战。
图5 基于中红外高透(a)和中红外高发(b)的辐射降温纺织品示意图；(c)商用多孔聚乙烯、(d)双模式织物、(e)多孔聚乙烯机织物、(f)ZnO-PE材料和纤维、(g)彩色聚乙烯纤维、(h)PEO薄膜和(i)超材料织物的照片。
具有降温防护功能的新兴纺织品由于其优异的性能、与人体良好的亲近性及灵活的可定制性，在走入百行千业、千家万户的同时也成为了学术研究的新高地，对传统纺织工业的革新发展和新型智能织物的研究创新具有重要启示。在传统纺织工程和可穿戴技术的蓬勃发展下，降温纺织品有望合理兼容服饰的降温性能和可穿戴性能，同时实现更低成本的批量化制造，并以此为基础为人类建立更强、更广、更细微的降温管理体系。
END
曾少宁, 胡佳雨, 张曼妮, 向远卓, 吴嘉威, 苏敏钰, 张雨琪, 沈梦, 洪平, 黄朝林, 陈敏, 周宁, 侯冲, 周华民, 张定宇, 陶光明. 面向个人热管理的降温纺织品. 科学通报, 2022, 67(11): 1167-1179.
https://doi.org/10.1360/TB-2021-1126
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