基于形状记忆智能织物的皮肤启发零碳热湿管理

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智能织物 热湿管理 形状记忆 零碳 单向水分传输

学术背景

随着全球温室气体排放的持续增加，环境温度不断上升，人类面临着极端气候带来的健康和生产力的潜在威胁。尤其是在夏季，空调和电扇等制冷设备的广泛使用导致能源消耗急剧增加，进一步加剧了温室气体的排放。据统计，夏季制冷设备目前占全球二氧化碳排放的40%，预计到205年将上升至50%。此外，寒冷环境也对人类生命构成威胁，例如在2021年甘肃白银马拉松事件中，极端天气导致多人死亡。因此，开发一种可持续、零能耗、零排放的智能纺织品，能够在无需外部能源输入的情况下调节人体热湿平衡，成为了当前研究的重点。

智能热湿管理纺织品能够有效调节环境与皮肤之间的热湿舒适度，大幅减少能源消耗，符合可持续发展的目标。然而，现有的热湿管理纺织品在智能响应性和实时调节能力上仍有不足，特别是基于形状记忆聚合物（SMP）的纺织品研究尚存在较大空白。本文通过仿生设计，结合形状记忆乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）纤维和传统棉织物，开发了一种具有单向导湿功能的智能织物，旨在实现环境自适应热湿管理，并达到零碳排放的目标。

论文来源

本文由Jing Zou、Yongzhen Wang、Xiang Yu、Rulin Liu、Weiqiang Fan、Jing Cheng和Weiyi Cai共同撰写，作者来自中国西安工程大学纺织科学与工程学院以及教育部功能性纺织材料与产品重点实验室。论文于2024年10月22日被Advanced Fiber Materials期刊接收，并于2024年6月5日提交。论文的DOI为10.1007/s42765-024-00496-4。

研究流程与结果

1. 形状记忆聚合物的制备与优化

本研究首先通过热交联法制备了双向形状记忆聚合物（2W-SMP），具体步骤包括： - 将乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）溶解在氯仿中，加热至55°C并搅拌3小时。 - 加入交联剂二枯基过氧化物（DCP），继续搅拌1小时。 - 将溶液倒入玻璃皿中，蒸发溶剂后得到EVA-DCP薄膜。 - 使用微型单螺杆挤出机制备不同直径的EVA-DCP纤维，并在170°C下加热2小时进行交联。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析，确认了聚合物的交联结构和结晶性能。研究还通过差示扫描量热法（DSC）和动态机械分析（DMA）优化了形状记忆响应温度范围，最终选择了EVA3.0（VA含量25 wt%）作为基材。

2. 形状记忆复合织物的制备

将形状记忆纤维与棉纱通过平纹结构编织成复合织物，具体步骤包括： - 选择87texx5棉纱作为经纱，直径1.5 mm的形状记忆纤维作为纬纱。 - 通过手工编织机进行编织，优化纱线选择、经纱细度和织物结构。 - 采用单向疏水整理技术，对织物进行单面疏水处理，以实现单向导湿功能。

通过红外热成像和热导率测试，验证了织物在形状记忆过程中的动态热调节能力。实验表明，织物在48°C时的热导率可达到0.091 W/m·K，空气透气性为461.7 mm/s，水分蒸发率为2021.5 g/(d·m²)。

3. 单向导湿功能的研究

通过喷雾法对织物进行单面疏水处理，具体步骤包括： - 使用甲基硅酸钠溶液作为疏水剂，喷雾处理织物表面。 - 优化疏水剂浓度（0.5 wt%、1.0 wt%、1.5 wt%、2.0 wt%）和喷雾次数（1次、3次、5次）。 - 通过液体水分管理测试（MMT）评估织物的单向导湿性能。

实验结果表明，1 wt%疏水剂喷雾3次后，织物的单向导湿指数达到193.2，整体水分管理能力（OMMC）为0.74。

4. 智能织物的热湿管理性能

通过模拟人体汗液的1 wt%聚维酮碘溶液测试织物的单向导湿性能，结果表明织物能够在12秒内将水分从皮肤接触层快速传输到外层，显著提高了人体的舒适度。此外，红外热成像显示，织物在48°C时能够显著增加辐射透射率，实现有效的热调节。

结论与意义

本研究成功开发了一种基于形状记忆智能织物的仿生零碳热湿管理系统。该织物通过形状记忆效应实现了温度自适应的孔隙开闭功能，显著提高了透气性和水分蒸发能力。结合单向导湿技术，织物能够快速将汗液从皮肤层传输到外层并蒸发，从而改善人体微环境的舒适度。该研究为智能热调节纺织品和可穿戴设备的设计提供了新思路，具有广泛的应用前景，特别是在户外、医疗、军事和节能领域。

研究亮点

  1. 仿生设计：通过仿生皮肤的热调节机制，开发了具有动态响应能力的智能织物。
  2. 零碳排放：织物无需外部能源输入，实现了零碳排放的热湿管理。
  3. 双向形状记忆：通过优化形状记忆聚合物的交联度和响应温度，实现了双向形状记忆效应。
  4. 单向导湿功能：通过单面疏水处理，织物具有优异的单向导湿性能，显著提高了人体舒适度。

其他有价值的信息

本研究还展示了智能织物在日常生活和运动中的应用潜力。实验表明，在39°C的户外环境中，织物能够将皮肤温度降低4.35°C，显著提高了人体的热舒适度。此外，织物在经过100次磨损循环后仍保持完整，洗涤后尺寸变化不超过2%，具有良好的耐用性。

这项研究为未来低碳环保生活提供了新的解决方案，具有重要的科学和应用价值。