东华大学丁彬、王先锋AM：核壳结构纺织品实现协同持续冷却与自适应湿度调控

随着全球变暖加剧和极端气候事件频发，人们面临热应激相关疾病的日益增加风险。人体与纺织品微环境之间的热湿平衡对舒适度、健康管理和长期穿戴至关重要。然而，设计一种能够同时实现持续冷却和动态湿度调节的纺织品系统，仍是一项未解决的重大挑战。现有技术如单向导湿、辐射冷却和相变材料虽取得进展，但往往难以在动态场景中智能响应微环境温湿度波动，尤其是在代谢变化时无法兼顾持续热管理和实时湿度调节。

近日，东华大学丁彬教授、王先锋研究员团队开发出一种热湿调节纺织品（TMRT），通过同轴静电纺丝技术构建了核壳微/纳米纤维结构，外壳为湿度调节聚合物，内核为热响应聚合物。该TMRT表现出极高的中红外发射率（99.82%）和低太阳反射率（7.71%），具备出色的接触冷却系数（0.43 W cm⁻²）和超低热阻（0.08 m² K W⁻¹），在40°C环境下可降低皮肤温度约6.6°C。同时，其湿阻低至2.49 m² K W⁻¹，水蒸发率高达0.59 g h⁻¹，湿度传感分辨率达0.5%相对湿度（RH），能够实现快速湿度响应与调节，为人体提供舒适微环境，有效解决防护服中的热湿积聚问题。相关论文以“Synergistic Sustained Cooling and Adaptive Moisture Regulation Enabled by Core–Shell Structured Textiles”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队通过同轴静电纺丝技术成功制备出具有核壳结构的TMRT。如图1所示，该纺织品以聚氨酯（PU）和聚乙二醇（PEG）为纤维内核，实现热响应冷却；外壳则结合PU与高比表面积活性炭（AC），赋予其湿度传感与调控功能。TEM图像清晰展示了纤维的核壳结构，光学性能测试显示其具备超高MIR发射率和低太阳反射率。透气性实验中，碎纸在TMRT覆盖的杯内剧烈跳动，证明其优异透气性。机制示意图进一步阐释了吸附-相变耦合效应如何实现持续冷却与长效湿度调节。

图1：TMRT的设计与制备 a) TMRT的材料、制备及其冷却、湿度调节、透气与透湿特性的示意图。 b) TMRT中具有核壳结构纤维的TEM图像。 c) PU、PPEG、PAC和TMRT的太阳反射光谱（0.25–2.5 μm）与红外发射光谱（2.5–25 μm）测量结果。黄色区域表示AM 1.5标准太阳光谱，蓝色区域表示大气透射率。 d) 展示TMRT透气性的照片。 e) TMRT持续冷却与长效湿度调节的机制示意图：吸附-相变耦合与共生效应。

图2聚焦于TMRT的孔结构特性。FTIR和XRD分析证实了PEG与PU之间的分子间氢键作用，增强了材料的结构稳定性。孔径分布显示TMRT具有优化的孔结构，平均孔径为1.82 μm。BET比表面积和孔隙率测试表明，TMRT的比表面积达4.41 m² g⁻¹，孔隙率为89%，N₂吸附-脱附等温线显示其具有介孔结构。表面粗糙度与接触角测试显示TMRT初始接触角为100°，水滴在17秒内被完全吸收，展现出超亲水特性。

图2：孔结构表征 a) PU、PPEG、PAC和TMRT的FTIR光谱。 b) AC、PPEG和TMRT的XRD图谱。 c) PU、PPEG、PAC和TMRT的孔径分布。 d) PU、PPEG、PAC和TMRT的平均孔径与最大孔径（Dmax）。 e) PU、PPEG、PAC和TMRT的BET比表面积与孔隙率。 f) PPEG和TMRT的N₂吸附-脱附等温线。 g–i) PU、PPEG、PAC和TMRT的光学轮廓图像、表面粗糙度（Ra）及表观水接触角变化曲线。

在冷却性能方面，图3的DSC曲线显示TMRT具有双峰熔融行为，熔融焓为35.21 J g⁻¹，相变温度适应人体舒适范围。其接触冷却系数远超国家标准，热导率为0.08 W m⁻¹ K⁻¹，热阻极低。模拟皮肤实验表明，TMRT在40°C条件下可使皮肤温度降低约6.6°C，红外热成像显示其表面温度始终低于传统PET面料。持续冷却测试中，TMRT在60分钟内表面温度保持在29.8°C以下，达到二级持续冷却性能等级。

图3：冷却性能 a,b) PU、PPEG、PAC和TMRT的DSC曲线（a）、熔融焓与熔融温度（b）。 c) PU、PPEG、PAC、TMRT及商用PET的Qmax、热导率（λ）和热阻。 d) 表征冷却性能的实验装置示意图。 e) PET和TMRT覆盖在模拟皮肤上在35°C、37°C和40°C下的红外图像。 f) 模拟裸露皮肤、覆盖PET和覆盖TMRT的模拟皮肤在室温下20分钟内的连续温度变化。 g) PET和TMRT的持续冷却性能。

湿度调节性能如图4所示，TMRT的透湿性最高（10.14 kg m⁻² d⁻¹），湿阻最低（2.49 m² K W⁻¹），水蒸发率显著优于PET。在密闭环境模拟器中，TMRT能在19分钟内将90% RH的高湿环境降至舒适水平，而PET需35分钟。连续加湿-平衡循环测试中，TMRT表现出快速的湿度响应与稳定性，振幅衰减率达-38%。长期循环与洗涤测试证实其具备优异的耐久性与耐洗性。

图4：湿度调节性能 a) PU、PAC、PPEG和TMRT的透气性与透湿性。 b) PU、PAC、PPEG、TMRT和PET的湿阻。 c) PET和TMRT的水蒸发率。 d) 评估湿度调节能力的实验装置示意图。 e) PET和TMRT在35%、60%和90% RH条件下60分钟内的连续相对湿度变化。 f) PET、TMRT及环境在20–90% RH连续加湿-湿度调节循环测试中的动态相对湿度曲线。 g) TMRT在周期性加湿-湿度调节循环及干燥变化下的长期循环测试。

机械性能与实际应用测试结果见图5。TMRT在干态和湿态下的拉伸强度分别为5.88 MPa和6.56 MPa，拉伸应变达131%和122%，湿态强度增强归因于AC吸水膨胀与界面氢键网络。循环拉伸测试显示其具备良好抗疲劳性能。在实际应用中，TMRT与PET组成的双纺织系统在跑步机测试中显示出更低的微环境温度和湿度，参与者反馈TMRT侧舒适度更高。即使在模拟沙漠高温条件下，TMRT仍能维持稳定舒适的微气候。

图5：机械性能与实际应用 a) PU、PPEG、PAC和TMRT的干态与湿态拉伸强度对比。 b) TMRT湿态力学增强示意图：分子键合与水化效应的协同耦合。 c) TMRT在50%应变下的循环拉伸测试。 d) 实际室内应用试验示意图，集成TMRT与数据记录器监测防护服内外温湿度。 e) 在跑步机上进行实时热湿调节性能测试的照片，测试者穿着贴有TMRT和PET的防护服。 f) 热相机记录的实时热湿调节性能测试过程。 g,h) PET和TMRT双纺织系统微环境在实时热湿调节性能实验中的定量温度（g）与湿度（h）测量结果。

综上所述，该研究通过同轴静电纺丝技术成功开发出具有持续冷却、湿度调节、穿戴舒适和耐久性能的TMRT。其核壳结构协同作用实现了优异的热辐射冷却与快速湿度响应，为人体提供更凉爽、干燥的微环境。这项研究为下一代功能纺织品开辟了新途径，在个人防护、医疗健康及极端环境如航空航天、军事和消防等领域具有广阔应用前景。

来源：高分子科学前沿

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