东华大学陈晴研究员AFM：新型智能针织面料，根据出汗情况自适应调节！

在日常生活中，运动服装的汗液管理功能一直备受关注。常见的功能性面料主要包括具有单向导水能力的“Janus”面料和类似皮肤排汗机制的“皮肤-like”面料。然而，由于两者水分传输机制不同，实现同时具备这两种功能的面料仍面临巨大挑战。Janus面料依靠双侧润湿性差异实现单向导水，但在高汗率情况下导水能力有限；而类皮肤面料虽能在高湿度环境下有效排汗，却不适用于低强度运动。目前尚未有一种面料能够根据出汗率自适应调节水分传输行为。

东华大学陈晴研究员、中国计量大学徐鹏教授香港理工大学寿大华助理教授合作，研发出一种出汗率自适应的针织面料（Sweating Rate-Adaptive Knitted Fabric, SRAF），成功实现了Janus与类皮肤双功能集成。该研究通过等离子预处理和表面涂层技术，对羊毛/丙烯酸混纺纱线进行润湿性调控，中等疏水纱线的芯吸长度在270秒内相比原纱提高523%，超疏水纱线接触角达150°，且具有良好的耐洗性。该面料在3 mL/h低汗率下可实现单向导水与大面积扩散，在15 mL/h高汗率下则能部分排液，实现自适应汗液管理。相关论文以“Sweating Rate-Adaptive Knitted Fabric with Janus and Skin-Like Functions”为题，发表在

Advanced Functional Materials

通过对纱线表面形貌的扫描电镜分析可见，原始纱线由表面具有鳞片结构的羊毛和带沟槽的丙烯酸纤维组成；经亲疏水剂处理后，纤维表面覆盖一层处理物质，元素分布显示改性未引入F元素，环保性良好。红外光谱分析表明，中等疏水纱线在1112 cm⁻¹处出现C–O–C伸缩振动峰，印证了亲水剂中酯醚官能团的存在。耐洗测试显示，超疏水面料水接触角在经过10次洗涤后仍保持在142°–150°之间，表现出优异的耐久性。

图1. a) 原始纱线的SEM图像 b) 中等疏水纱线的SEM图像 c) 超疏水纱线的SEM图像 d) 超疏水纱线的元素分布 e) 纱线的FTIR红外光谱分析 f) 中等疏水纱线织物洗涤后的润湿时间 g) 原始纱线与超疏水纱线织物洗涤后的表面接触角 h) 纱线的芯吸长度测试 i) 不同纱线的吸水量 j) 不同纱线的吸水率

在纱线性能评估中，中等疏水纱线展现出最佳的芯吸性能和吸水性，其芯吸长度在270秒内达到4.05厘米，吸水量和吸水率分别为0.0395 g和415.79%。超疏水纱线则几乎无芯吸行为，吸水性最低。纱线拉伸测试表明，疏水改性对断裂力影响较小，中等处理略有下降，超疏水处理反而略有提升。

图2. a) 织物静水压测试装置 b) 三种类型织物的静水压变化 c) 三种织物的最大静水压差 d) 三种织物的注水持续时间

进一步对单一润湿性纱线所编织的面料进行测试显示，静态水压实验中，超疏水面料具有最长的进水时间（52.67 s）和最大水压差（36.87 mmH₂O），中等疏水面料则几乎无静水压。抗溅性测试中，超疏水面料获最高4级评级，而中等疏水面料抗湿性较差。水/乙醇溶液抗湿实验也验证了超疏水面料对高浓度酒精滴液仍具良好排斥能力。

图3. a) 织物的抗液体喷溅测试 b) 水/乙醇混合液在织物表面的润湿状态

SRAF面料结构设计独特，背面为中等疏水点与超疏水区域相间分布，正面则为“鸟眼组织”混合编织。接触角测试显示，背面中等疏水点处为132°，超疏水点处为150°，正面交织区为142%。滴液实验表明，超疏水点液滴保持原位，而中等疏水点则持续被吸收，表现出明显的单向导水特性。

在人体手臂实验中，SRAF面料在注水后外表面液呈条状分布，而对照面料则呈圆状湿润；皮肤温度记录显示，SRAF覆盖区域湿润面积小、局部温度高，体现出更优的汗液管理性能。在不同注水速率下，SRAF在3 mL/h时背面呈点状湿润、正面呈横向条状扩散；在15 mL/h时部分液滴从面料表面脱落，实现了从“单向扩散”到“液滴排出”的自适应切换。液体积聚对比表明，SRAF在高汗率下可排出约0.5 mL液体，而对照面料无此功能。

图4. a) SRAF织物的正反面细节及接触角 b) 1 mL液滴测试 c) 人体手臂覆盖不同织物后的效果对比

图5. a) 3 mL/h注水速率下SRAF与对照织物的润湿状态对比 b) 15 mL/h注水速率下SRAF与对照织物的润湿状态对比 c) 液滴从织物正面滴落 d) 注水速率在3与15 mL/h之间切换时SRAF的润湿状态

图6. a) 文献中注水速率对比 b) 15 mL/h注水速率下SRAF与对照织物的集水量对比 c) 3 mL/h注水速率下织物正面的润湿长度 d) 15 mL/h注水速率下织物正面的润湿长度

通过COMSOL多物理场仿真，研究团队建立了中疏水纱线的芯吸模型，模拟结果与实验数据误差小于3%，验证了模型的有效性。进一步地，通过纱线渗透率预测织物芯吸行为，误差低于5%，实现了从纱线到织物的多尺度性能关联。

图7. a) 双股纱的几何简化模型 b) 纱线几何截面简化示意图 c) 60秒内纱线芯吸长度与速度的模拟 d) 30秒和60秒时理论与实验结果的对比

图8. a) SRAF织物的水分传输过程示意图 b) SRAF织物的水分传输原理示意图 c) SRAF织物中单根弯曲纱线的2分钟水分传输实验与模拟对比

图9. a) 中等疏水与超疏水纱线表面等离子预处理装置示意图 b) SRAF织物的三维视图 c) 中等疏水纱线芯吸长度测试平台

该研究成功设计出一种具备出汗率自适应水分传输功能的针织面料，融合了单向导水与皮肤-like排汗双机制，扩展了湿管理纺织品的基础理论与实际应用前景。通过对纱线润湿性的精准调控与织物结构设计，实现了在低汗率下增强蒸发冷却、在高汗率下快速排汗降重的智能响应。该工作为开发下一代高性能运动与功能性服装提供了可行的材料策略与理论支持。

来源：高分子科学前沿

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