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科学普及

告别湿哒哒的夏天——具有锥形微孔的仿生Janus纺织品

稿件来源： 发布时间：2019-09-11
　　夏天的高温让人难以忍受，一出门就像置身一个大火炉中，走一会儿路身上就冒汗，衣服也迅速被打湿，湿哒哒的裹在身上，这时候如果有一件衣服能及时把汗排出去，岂不是舒服？
　　幸运的是，科研人员已经突破了这一问题。近日，中科院理化所王树涛研究员课题组提出了一种疏水性/超亲水性Janus聚酯/硝化纤维素纺织品，该织物嵌入具有亲水性内表面的锥形微孔阵列，可以实现定向液体传输(具有1246%的超高定向水传输能力)并可以保持人体温度(比棉织物高2-3°C)，可以快速将汗液从佩戴者的皮肤一侧传输到外部，从而使皮肤产生更干燥、更温暖的感觉。该成果以题为《Bioinspired Janus Textile with Conical Micropores for Human Body Moisture and Thermal Management》的论文发表在材料类顶级期刊《Advanced Materials》上。（原文链接）
　　纺织品的水分传输特性极大地影响着人体的生理舒适性，这强烈依赖于纺织品的表面润湿性。传统的亲水性纺织品，如棉花，很容易被汗水弄湿，导致湿粘感觉，甚至是过冷的感觉。近年来，研究人员已经做出努力来改善通过纺织品的汗液输送，例如双层疏水/亲水织物。然而，在汗液输送过程中，对热量的散失没有给予太多的关注。因此，迫切需要开发一种新的功能性纺织品，以实现高效的汗液输送和防止不必要的过度寒冷。
　　
　　图1.a)传统棉织物和湿润皮肤之间的毛细作用力的示意图。b)受限空间中的不对称液体传输。c)用Janus PE/NC纺织品覆盖人体的汗液输出路径示意图。d)横跨Janus PE/NC纺织品的圆锥形微孔，其设计用于通过不对称曲率输送汗液。e)Janus PE/NC纺织品的示意图。f)制作的16 cm×16 cm JanusPE/NC纺织品的照片(打印字母TIPC-CAS)。g)Janus PE/NC纺织品的SEM图像。

　　研究人员受自然界中普遍存在的定向水输送现象启发，通过简单的激光穿孔方法，直接烧蚀和改性商用的Janus PE/NCs聚酯/硝化纤维素膜，制备了具有不对称亲水性圆锥形微孔的疏水/超亲Janus聚酯/硝化纤维素织物，用于定向液体传输。这种Janus 聚酯/硝化纤维织物可以通过从大到小的非对称亲水圆锥形微孔(LTS)，单向地将过量汗液从疏水层运输到超亲水层，从而避免汗液产生不希望的粘性和过多的冷感。
　　
　　图2.Janus PE/NC纺织品的表面形态和润湿性
　　通过接触角(CA)测量，PE层在空气中表现出明显的疏水性(80.0±1.6°)，NC层在空气中表现出明显的超亲水性(≈0°)。从扫描电子显微镜(SEM)图像可以清楚地观察到锥形微孔阵列，通过改变激光功率从10到40W，获得了一系列不同孔径的Janus PE/NC纺织品。Janus PE/NC纺织品中单个微孔的放大SEM图像表明，PE层和NC层中形成的微孔具有不对称的形貌。面向激光的PE层具有大开口，NC层具有小开口。扫描电镜横截面图像显示，微孔呈现出独特的锥形结构。
　　
　　图3.Janus PE/NC纺织品的定向水输送。a)水滴到具有微孔的疏水性PE层上，并立即穿透Janus PE/NC纺织品。b)水滴到超亲水层上并在超亲水层中扩散。c)滴在疏水层(红色)和超亲水层(黑色)上的水的动态表观接触角。d)当水滴在Janus PE/NC织物的疏水层上时，相对含水量随时间变化(在MMT中，疏水性PE层朝上)。
　　同时，建立一个简化的物理模型连续滴水以模拟出汗，演示Janus PE/NC纺织品的定向水输送能力。监测了用亚甲基蓝染色的水在Janus PE/NC纺织品的疏水层上的动态传输过程。当水滴接触疏水层时，水可以泵过疏水层和湿润的超亲水层，相反，当Janus PE/NC纺织品翻转并且水滴接触超亲水层时，水滴被阻挡并在超亲水层上扩散，而没有润湿或穿透疏水层。结果表明，Janus PE/NC纺织品能够单向地将液体从疏水层输送到超亲水层。水分管理测试仪(MMT)的结果表明，一旦水接触到疏水层，水就可以迅速从疏水层穿过Janus PE/NC织物，并通过毛细管力和锥形微孔增强扩散到超亲水层。
　　除了传输性能外，还测试了Janus PE/NC纺织品的耐磨性，包括水蒸气的透过性、湿态下的皮肤粘附性和热管理。首先，Janus PE/NC纺织品具有高的水蒸气透过率(WVTR)(≈0.017 g cm？2 h？1)。其次，Janus PE/NC纺织品由于去除水而具有非常低的皮肤粘附力(≈0 mN cm？2)，用Janus PE/NC纺织品覆盖的湿润皮肤由于自发的定向水传输在几秒钟内变干，几乎没有粘着人类皮肤。第三，Janus PE/NC织物出汗后表现出比传统棉织物更好的绝缘性能。用红外线摄像机对皮肤进行成像，显示了棉织物覆盖的区域的温度通常低于Janus PE/NC纺织品覆盖的区域。Janus PE/NC纺织品在潮湿条件下的导热性较低，因此将提供比棉花更温暖的感觉，并可提供更凉爽的感觉。

　　图4.在Janus PE/NC纺织品上进行的各种耐磨性测试。a)水蒸气透过率测试显示人的汗水是如何通过纺织品传播的。b)皮肤与不同湿润纺织品之间的粘附力。c)示意图和光学照片显示了JanusPE/NC纺织品的快速液体传输性能。d)放置在湿润皮肤上的JanusPE/NC纺织品和棉织物的红外摄像机图像。

　　让我们一起期待穿上这件衣服吧！
　　全文链接：
　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201904113

文章转自微信公众号“国际仿生工程学会”
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