Advanced Sustainable Systems | 個人熱管理織物：光譜輻射、定向水傳輸和動態熱調控

背景介紹

當前全球氣候變暖趨勢加劇，熱相關疾病對人體健康的影響持續凸顯，如何保持人體熱濕舒適性是研究的重要方向之一。人體熱平衡的維持主要依賴于“皮膚-織物-環境”系統調節。傳統的思路大多選擇從“環境”層面入手，即使用空調改變人體周圍環境溫度，但這樣會面臨著能耗巨大，以及無法適用于室外環境的窘境。相比之下，若通過“織物”直接調節人體微環境，便能靈活適配各類使用場景，且無需額外消耗能源。因此，如何發展先進的人體熱調控織物已成為極具潛力的新方向。目前已有大量工作研究探討如何將被動式輻射冷卻技術集成于人體熱調控織物。但單一輻射冷卻存在明顯短板：汗水浸潤會降低輻射冷卻性能、難以應對環境氣候的波動。因此，如何開發具有自適應調控的高性能熱調控織物成為重要發展方向，需同時解決光譜調控、定向水輸運與動態熱調節三大核心問題。

成果展示

基于此，本文系統梳理了人體熱調控織物的設計原理與方法，從光譜調控、定向輸水和動態熱調節三個維度展開深入分析。構建了人體熱調控織物的設計理論框架與技術發展路線，并總結展望了現存技術挑戰及未來發展方向：如何兼具優異光譜、定向水運輸、動態調控特性；如何在維持高性能的前提下保證織物耐磨耐洗滌、抗紫外線、色彩；如何實現織物安全的大規模生產等，有助于推動這一綠色高效的技術從實驗室走向大規模工程應用，為建筑節能、人體熱舒適性調控等領域提供可靠的解決方案。

首先，對于光譜調控，不同場景對織物的光譜要求截然不同：在室外，織物可直接與天空及環境相互作用，為了實現日間輻射冷卻，通常需要織物滿足高太陽光反射率及中紅外發射率，但這樣在室內或陰雨天并不能發揮明顯作用；在室內，織物通常面臨溫度穩定且相對較低的建筑墻面，此時則需要織物在中紅外波段保持高透過性，最大限度減小對人體自身散熱的阻礙，但這樣缺乏主動降溫措施，室外冷卻效果較差；為同時適應室內室外環境，織物在中紅外波段僅需在大氣透過窗口保持高發射率，在非大氣窗口則需保持高透過率，同時為了避免太陽加熱，在太陽光波段仍需保持高發射率。這些光譜性能的調控可通過選擇合適制備材料、添加特定顆粒來實現。

其次，對于定向水運輸調控，織物需要及時將汗液排出至外側并快速蒸發以保持人體皮膚干燥涼爽。主流的設計方案均基于Janus結構：由一層疏水層和一層親水層組成，利用拉普拉斯壓差實現汗水從疏水側向親水側單向運輸并蒸發。隨著研究不斷深入，有學者提出在潤濕梯度基礎上再引入孔徑梯度，構成內層大孔疏水、外層小孔親水的異質復合結構，以進一步增強定向水運輸能力；還有學者提出在Janus結構的基礎上，再向中間加入一層潤濕性介于內外兩層之間的傳輸層，形成潤濕梯度結構，使得汗液需經過多層傳輸，這樣能有效避免汗水從親水側反向滲透回疏水側。

最后，對于動態調控，可依據人體散熱途徑（輻射、排汗、對流、導熱）選擇不同的調控機理。具體的調控設計方案可分為設計雙面可翻轉織物、添加熱致變色微膠囊、設計溫濕度響應纖維或散熱窗口、添加相變材料等等。這些調節方法相互獨立，可耦合多種模式、互補優缺點，從而實現高效穩定自適應熱調控。

相關研究成果受邀以“Advanced Textiles for Personal Thermal Management: Spectral Radiation, Directional Water Transport, and Dynamic Thermal Regulation”為題發表于期刊Advanced Sustainable Systems，第一作者為中南大學本科生張曉宇，通訊作者為中南大學陳梅潔副教授。

圖1 人體散熱示意圖

圖2 發射型織物設計

圖3 透過型織物設計

圖4 選擇性發射型織物設計

圖5 定向水運輸調控

圖6 動態熱調控

https://doi.org/10.1002/adsu.70547