文獻(xiàn)前沿丨Adv. Funct. Mater.：多功能Janus織物 - 實(shí)現(xiàn)透氣、抗菌與舒適的個(gè)人熱濕管理

近年來，被動(dòng)輻射冷卻紡織品因其零能耗、高效率的散熱特性，在個(gè)人熱管理領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。然而，目前大多數(shù)輻射冷卻織物設(shè)計(jì)主要聚焦于提升光學(xué)性能，往往忽視了在實(shí)際穿著環(huán)境中人體排汗與織物透氣性、抗菌性之間的協(xié)同關(guān)系。因此，開發(fā)一種集高效輻射冷卻、有效汗液管理、長(zhǎng)效抑制細(xì)菌于一體的多功能織物，仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。為了解決上述難題，本文通過St?ber 法、浸涂法和噴涂工藝合成了一種具有吸濕排汗和冷卻功能的抗菌超織物。該織物采用St?ber 法在棉纖維表面原位合成二氧化硅（SiO?）與二氧化鈦（TiO?）納米粒子，隨后通過浸涂法和噴涂工藝構(gòu)建不對(duì)稱潤(rùn)濕性結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)輻射、人體熱輻射與汗液的協(xié)同管理與智能調(diào)控。實(shí)驗(yàn)表明，該織物展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能，其太陽(yáng)反射率和紅外發(fā)射率分別高達(dá)91.2%和 96.6%。同時(shí)，它還具有優(yōu)異的定向?qū)衲芰耙詮?qiáng)大的抗菌效果，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率分別達(dá)到99.6%和99.5%。經(jīng)120次磨損循環(huán)后，質(zhì)量損失小于2.3%，太陽(yáng)光反射率變化約15%，紅外發(fā)射率僅從96.6%降至95.5%，顯示出優(yōu)異的耐久性。本研究成功開發(fā)了一種兼具輻射冷卻、汗液管理、抗菌防護(hù)與耐用性的多功能Janus織物，為下一代自適應(yīng)智能紡織品的開發(fā)提供了新范式與解決方案。相關(guān)工作以Tailored Versatile Janus Fabrics as Breathable, Antibacterial,and Comfortable for Personal Thermal-Moisture Management發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊。

為了開發(fā)一種集高效輻射冷卻、有效汗液管理、長(zhǎng)效抑制細(xì)菌于一體的的多功能織物，本文通過St?ber 法、浸涂法和噴涂工藝合成了一種具有吸濕排汗和冷卻功能的抗菌超織物(圖1)。該織物采用St?ber 法在棉纖維表面原位合成二氧化硅（SiO?）與二氧化鈦（TiO?）納米粒子構(gòu)建光學(xué)功能層，實(shí)現(xiàn)91.2%的高太陽(yáng)光反射率與96.6%高中紅外發(fā)射率(圖2)。并且通過浸涂烷基糖苷與噴涂疏水劑構(gòu)建不對(duì)稱潤(rùn)濕性結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)疏水、外親水的定向水傳輸路徑(圖 3)。水接觸角測(cè)試表明，親水側(cè)水滴在0.5秒內(nèi)完全鋪展，而疏水側(cè)水接觸角在7秒內(nèi)由150°降至0°，證實(shí)其具備優(yōu)異的單向?qū)衲芰Α敉鉁y(cè)試表明，在約800瓦/平方米的太陽(yáng)輻照下，該織物平均比環(huán)境溫度低約8°C，最大溫差達(dá)12.6°C，相比棉織物降溫超過4°C(圖4)。該織物還具備優(yōu)異的抗菌性與耐久性(圖5)。織物對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效率分別達(dá)到99.5%和99.6%，經(jīng)120次磨損循環(huán)后，質(zhì)量損失小于2.3%，太陽(yáng)光反射率變化約15%，紅外發(fā)射率僅從96.6%降至95.5%，顯示出優(yōu)異的耐久性。該織物實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境下的自適應(yīng)熱濕管理，為下一代可穿戴熱濕管理系統(tǒng)的開發(fā)提供了新的解決方案。

圖1.(a)用于個(gè)人體溫調(diào)節(jié)的Janus結(jié)構(gòu)抗菌紡織品設(shè)計(jì)示意圖。該設(shè)計(jì)結(jié)合了：(i)太陽(yáng)光反射（0.3–2.5 μm光譜），(ii)選擇性中紅外調(diào)控(8–13 μm大氣窗口)，以及(iii)定向?qū)裥阅堋?/strong>(b)超織物的制備過程示意圖。(c)超織物和純棉織物的紅外熱成像圖。(d)超織物的實(shí)拍圖。

圖2. (a)超織物與純棉織物的反射率和發(fā)射率對(duì)比。(b)纖維素、SiO?和TiO?的化學(xué)鍵振動(dòng)的紅外發(fā)射的示意圖。(c,d)超織物在白天和夜間的冷卻功率。(e)超織物和純棉織物的傅里葉變換紅外光譜。(f)超織物、純棉織物、SiO?和TiO?的X射線衍射譜。(g,h)超織物的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。(i)超織物的能譜分析譜圖及O、Si、C、N、Ti元素的對(duì)應(yīng)分布圖。

圖3.(a)超織物基于不對(duì)稱潤(rùn)濕性的定向水傳輸機(jī)制示意圖。(b)定向水傳輸?shù)母┮晥D觀察結(jié)果。(c)定向水傳輸機(jī)制的示意圖。(d,e)分別為(d)親水層和(e)疏水層上的動(dòng)態(tài)水接觸角變化。(f)水接觸角變化的定量比較。(g)超織物與純棉織物的水分蒸發(fā)速率對(duì)比。(h)吸濕排汗與蒸發(fā)能力的實(shí)際演示結(jié)果。(i)透氣性能評(píng)估。

圖4. (a)超織物輻射冷卻機(jī)制的示意圖。(b,c)冷卻性能評(píng)估的實(shí)驗(yàn)裝置：(b)帶有熱電偶溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，(c)實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)拍圖（實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：浙江杭州，北緯30°18′10″，東經(jīng)120°4′54″）。(d–f)不同環(huán)境條件下冷卻性能的溫度和溫差曲線：(d)晴天，(e)陰天，(f)夜間，插圖為相應(yīng)天氣條件的實(shí)拍圖。

圖5. (a,b)超織物與純棉織物的抗菌示意圖和抗菌效率。(c,d)對(duì)應(yīng)的高倍放大圖像：(c)與大腸桿菌共同培養(yǎng)24小時(shí)后，純棉織物和超織物表面的細(xì)菌菌落形態(tài)，(d)與金黃色葡萄球菌共同培養(yǎng)24小時(shí)后，純棉織物和超織物表面的細(xì)菌菌落形態(tài)。(e,f)不同循環(huán)次數(shù)后，織物的質(zhì)量變化及太陽(yáng)光譜平均反射率變化。(g)超織物與純棉織物的力學(xué)性能。

小結(jié)：綜上所述，該研究通過原位合成與浸涂和噴涂工藝，成功將烷基聚糖苷和SiO2/TiO2納米顆粒功能化于Janus 超材料織物上，實(shí)現(xiàn)了輻射冷卻與吸濕排汗的協(xié)同作用。該多功能設(shè)計(jì)結(jié)合了熱輻射調(diào)節(jié)、增強(qiáng)的汗液蒸發(fā)與卓越的穿著舒適度，為全天候個(gè)人冷卻提供了解決方案。通過結(jié)合純棉織物固有的透氣性、透濕性和抗菌性，該超織物能有效緩解高溫出汗時(shí)的熱濕不適感。與純棉織物相比，該織物具有選擇性光譜響應(yīng)特性，在以91.2%的反射率反射太陽(yáng)光譜的同時(shí)保持96.6%高中紅外發(fā)射率，并且通過不對(duì)稱潤(rùn)濕性實(shí)現(xiàn)單向快速的排汗性能。此外，該織物具有優(yōu)異的柔軟度與的透氣性以及出色的抗菌性能，使得在穿著過程中保持衛(wèi)生和舒適。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅為解決個(gè)人濕熱管理提供新的思路，也為下一代功能棉紡織品的開發(fā)提供了一種新范式。

論文信息：. Chen, Yang, et al. “Tailored Versatile Janus Fabrics as Breathable, Antibacterial, and Comfortable for Personal Thermal‐Moisture Management.” Advanced Functional Materials, 2025, https://doi.org/10.1002/adfm.202523292.

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