文献前沿丨Nano-Micro Lett.：基于纤维素的智能Janus织物：具有可切换液体传输功能的个人热湿管理材料

近年来，具有Janus结构的纺织品因其能够有效提高人体舒适度的潜力而备受关注。然而，目前大多数研究集中于实现织物的单向导湿功能，使得当人体处于动态变化的环境中时，织物难以实现连续、可调的汗液传输与热管理的协同集成。因此，为解决上述难题，本文设计出一种兼具动态热湿调控、多维度防护与结构稳定性的全纤维素基的Janus智能织物。该织物具有三层结构，以棉织物（cotton fabric，CF）为基材，首先通过自由基接枝聚合将温敏性N-异丙基丙烯酰胺（N-isopropylacrylamide，NIPAM）接枝于棉纤维表面，构建温度响应型孔隙通道；随后采用分层喷涂工艺，在织物两侧分别喷涂疏水乙基纤维素（ethyl cellulose，EC）与亲水纤维素纳米纤维（cellulose nanofiber，CNF）-石墨相氮化碳（graphitic carbon nitride，g-C₃N₄）复合涂层，形成不对称润湿性结构，同时借助g-C₃N₄实现织物的紫外线防护与光动力抗菌性能。实验表明，该智能织物在10-40℃温度范围内，汗液传输时间可从66s动态调控至3s，实现高温下快速排汗散热、低温下减缓蒸发保温的自适应调节。并且该织物具有优异的光催化抑菌效果，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别达97.17%和95.12%。同时，该织物经反复扭曲、拉伸与清洗后仍保持结构稳定与性能一致，显示出良好的机械耐久性与使用可靠性。该研究实现了温度响应型动态导湿与紫外线防护、光动力抗菌性能的一体化集成，为开发适用于大幅温差环境的多功能自适应智能纺织品提供了创新思路。相关工作以Smart Cellulose-Based Janus Fabrics with Switchable Liquid Transportation for Personal Moisture and Thermal Management为题发表在Nano-Micro Letters期刊。

为了构建一种能在动态温度环境中实现智能化热湿管理的Janus织物，本文设计了一种基于纤维素的三层结构智能织物(图1)。该织物通过接枝温敏聚合物PNIPAM构建中间调控层，并在两侧分别喷涂疏水EC和亲水CNF / g‑C₃N₄，形成不对称润湿性结构。通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM) 图像对比了原始棉织物、接枝PNIPAM后以及最终Janus织物两侧的微观形貌与纤维表面粗糙度(图2)。结果表明，PNIPAM接枝使纤维些微粗大，织物平均孔径减小；而两侧的功能涂层使纤维的亲水性能大幅提升。图 3直观演示了Janus织物的定向水传输性能及其温度响应特性。实验显示，水滴在亲水侧无法穿透，而在疏水侧则可垂直快速传输至亲水侧。在10-40℃温度范围内，汗液传输时间可从66s动态调控至3s。图4从力学角度分析了不同结构的织物的抗重力水传输性能差异，并证明织物孔径随温度变化是实现传输速度调控的关键，而合适的涂层厚度与显著的润湿性梯度保障了单向传输效率。实际应用评估显示，该织物在高温下可实现3.4°C的散热，在低温下则能有效提升温度2.1°C (图5)。这项研究为开发适用于大幅温差环境的自适应智能纺织品提供了创新解决方案。

图1.(a)JCF的制备过程。(b)具有Janus润湿性、用于人体热湿管理的智能织物示意图。

图2. (a) CF、(b) NCF、JCF的疏水侧(c)与亲水侧(d)的SEM图像。(e) NCF、(f)无CN的JCF与(g) JCF亲水侧的纤维表面粗糙度。(h) JCF亲水侧的元素分布图及能谱（EDS）图谱。

图3.(a) 25°C时水滴滴在JCF的亲水侧的情况。(b)25°C时水滴滴在JCF的疏水侧的情况。(c)在10℃、25℃及40℃条件下，水滴从疏水侧（接触皮肤的一侧）垂直运输到亲水侧（暴露在环境的一侧）的过程。(d) JCF在不同温度下的抗重力水传输时间。(e)各类织物的芯吸高度。(f)在10℃、25℃及40℃条件下，CF和JCF的水分蒸发速率。

图4. (a-c) 25℃下不同织物的抗重力定向输水性能及定向输水机制示意图。在(d) 10℃、(e) 25℃、(f) 40℃条件下的抗重力定向输水机制示意图。

图5. (a) CF和JCF在20°C下快速导湿性能的实际测试。(b)织物润湿后黏附性的测试。(c) 20°C条件下棉织物（右侧）和JCF（左侧）贴合湿皮肤时的导湿性能及快速输水效果。人体处于静息状态时，在(d)40°C和(e)10°C下织物贴合皮肤时的红外热成像图像。人体处于运动状态时，在(f) 40°C和(g) 10°C下织物贴合湿皮肤时的红外热成像图像

小结：综上所述，本研究设计了一种具有Janus润湿性和可智能调控定向水传输速度的纤维素基三层织物。通过对CF接枝NIPAM，构建了具有温度响应性的孔道结构；同时，在织物两侧分别使用疏水性EC和亲水性CNF，形成润湿性梯度，从而构建出Janus结构。该结构因其纤维素间的强氢键作用而具有良好的稳定性。在高温环境下，织物通过增大孔径并加速汗液蒸发来实现皮肤冷却；当进入低温环境时，织物孔径缩小、汗液蒸发速率减缓，在保持体感干爽的同时有效维持体温、防止过冷现象的发生。此外，通过在Janus织物的亲水侧引入g-C₃N₄纳米片，进一步提升了其紫外线屏蔽性能并使其具有光动力抗菌功能。这种智能织物在个人湿热管理领域展现出广阔的应用前景。

论文信息：Xi, J., Lou, Y., Meng, L. et al. Smart Cellulose-Based Janus Fabrics with Switchable Liquid Transportation for Personal Moisture and Thermal Management. Nano-Micro Lett. 17, 14 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01510-5

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