近年來，具有Janus結(jié)構(gòu)的紡織品因其能夠有效提高人體舒適度的潛力而備受關(guān)注。然而，目前大多數(shù)研究集中于實現(xiàn)織物的單向?qū)窆δ?，使得?dāng)人體處于動態(tài)變化的環(huán)境中時，織物難以實現(xiàn)連續(xù)、可調(diào)的汗液傳輸與熱管理的協(xié)同集成。因此，為解決上述難題，本文設(shè)計出一種兼具動態(tài)熱濕調(diào)控、多維度防護與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的全纖維素基的Janus智能織物。該織物具有三層結(jié)構(gòu)，以棉織物（cotton fabric，CF）為基材，首先通過自由基接枝聚合將溫敏性N-異丙基丙烯酰胺（N-isopropylacrylamide，NIPAM）接枝于棉纖維表面，構(gòu)建溫度響應(yīng)型孔隙通道；隨后采用分層噴涂工藝，在織物兩側(cè)分別噴涂疏水乙基纖維素（ethyl cellulose，EC）與親水纖維素納米纖維（cellulose nanofiber，CNF）-石墨相氮化碳（graphitic carbon nitride，g-C?N?）復(fù)合涂層，形成不對稱潤濕性結(jié)構(gòu)，同時借助g-C?N?實現(xiàn)織物的紫外線防護與光動力抗菌性能。實驗表明，該智能織物在10-40℃溫度范圍內(nèi)，汗液傳輸時間可從66s動態(tài)調(diào)控至3s，實現(xiàn)高溫下快速排汗散熱、低溫下減緩蒸發(fā)保溫的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。并且該織物具有優(yōu)異的光催化抑菌效果，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率分別達97.17%和95.12%。同時，該織物經(jīng)反復(fù)扭曲、拉伸與清洗后仍保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與性能一致，顯示出良好的機械耐久性與使用可靠性。該研究實現(xiàn)了溫度響應(yīng)型動態(tài)導(dǎo)濕與紫外線防護、光動力抗菌性能的一體化集成，為開發(fā)適用于大幅溫差環(huán)境的多功能自適應(yīng)智能紡織品提供了創(chuàng)新思路。相關(guān)工作以Smart Cellulose-Based Janus Fabrics with Switchable Liquid Transportation for Personal Moisture and Thermal Management為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊。

為了構(gòu)建一種能在動態(tài)溫度環(huán)境中實現(xiàn)智能化熱濕管理的Janus織物，本文設(shè)計了一種基于纖維素的三層結(jié)構(gòu)智能織物(圖1)。該織物通過接枝溫敏聚合物PNIPAM構(gòu)建中間調(diào)控層，并在兩側(cè)分別噴涂疏水EC和親水CNF / g?C?N?，形成不對稱潤濕性結(jié)構(gòu)。通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM) 圖像對比了原始棉織物、接枝PNIPAM后以及最終Janus織物兩側(cè)的微觀形貌與纖維表面粗糙度(圖2)。結(jié)果表明，PNIPAM接枝使纖維些微粗大，織物平均孔徑減?。欢鴥蓚?cè)的功能涂層使纖維的親水性能大幅提升。圖 3直觀演示了Janus織物的定向水傳輸性能及其溫度響應(yīng)特性。實驗顯示，水滴在親水側(cè)無法穿透，而在疏水側(cè)則可垂直快速傳輸至親水側(cè)。在10-40℃溫度范圍內(nèi)，汗液傳輸時間可從66s動態(tài)調(diào)控至3s。圖4從力學(xué)角度分析了不同結(jié)構(gòu)的織物的抗重力水傳輸性能差異，并證明織物孔徑隨溫度變化是實現(xiàn)傳輸速度調(diào)控的關(guān)鍵，而合適的涂層厚度與顯著的潤濕性梯度保障了單向傳輸效率。實際應(yīng)用評估顯示，該織物在高溫下可實現(xiàn)3.4°C的散熱，在低溫下則能有效提升溫度2.1°C (圖5)。這項研究為開發(fā)適用于大幅溫差環(huán)境的自適應(yīng)智能紡織品提供了創(chuàng)新解決方案。

圖1.(a)JCF的制備過程。(b)具有Janus潤濕性、用于人體熱濕管理的智能織物示意圖。

圖2. (a) CF、(b) NCF、JCF的疏水側(cè)(c)與親水側(cè)(d)的SEM圖像。(e) NCF、(f)無CN的JCF與(g) JCF親水側(cè)的纖維表面粗糙度。(h) JCF親水側(cè)的元素分布圖及能譜（EDS）圖譜。

圖3.(a) 25°C時水滴滴在JCF的親水側(cè)的情況。(b)25°C時水滴滴在JCF的疏水側(cè)的情況。(c)在10℃、25℃及40℃條件下，水滴從疏水側(cè)（接觸皮膚的一側(cè)）垂直運輸?shù)接H水側(cè)（暴露在環(huán)境的一側(cè)）的過程。(d) JCF在不同溫度下的抗重力水傳輸時間。(e)各類織物的芯吸高度。(f)在10℃、25℃及40℃條件下，CF和JCF的水分蒸發(fā)速率。

圖4. (a-c) 25℃下不同織物的抗重力定向輸水性能及定向輸水機制示意圖。在(d) 10℃、(e) 25℃、(f) 40℃條件下的抗重力定向輸水機制示意圖。

圖5. (a) CF和JCF在20°C下快速導(dǎo)濕性能的實際測試。(b)織物潤濕后黏附性的測試。(c) 20°C條件下棉織物（右側(cè)）和JCF（左側(cè)）貼合濕皮膚時的導(dǎo)濕性能及快速輸水效果。人體處于靜息狀態(tài)時，在(d)40°C和(e)10°C下織物貼合皮膚時的紅外熱成像圖像。人體處于運動狀態(tài)時，在(f) 40°C和(g) 10°C下織物貼合濕皮膚時的紅外熱成像圖像

小結(jié)：綜上所述，本研究設(shè)計了一種具有Janus潤濕性和可智能調(diào)控定向水傳輸速度的纖維素基三層織物。通過對CF接枝NIPAM，構(gòu)建了具有溫度響應(yīng)性的孔道結(jié)構(gòu)；同時，在織物兩側(cè)分別使用疏水性EC和親水性CNF，形成潤濕性梯度，從而構(gòu)建出Janus結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)因其纖維素間的強氫鍵作用而具有良好的穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，織物通過增大孔徑并加速汗液蒸發(fā)來實現(xiàn)皮膚冷卻；當(dāng)進入低溫環(huán)境時，織物孔徑縮小、汗液蒸發(fā)速率減緩，在保持體感干爽的同時有效維持體溫、防止過冷現(xiàn)象的發(fā)生。此外，通過在Janus織物的親水側(cè)引入g-C?N?納米片，進一步提升了其紫外線屏蔽性能并使其具有光動力抗菌功能。這種智能織物在個人濕熱管理領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

論文信息：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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