随着全球变暖的加剧，人们暴露于炎热环境和患热相关疾病的风险增加。个人热/湿度管理（PTMM）具有局部温度调节、零能耗、工作场景不受限制等优点，为保持人体热舒适性提供了一种很有前途的解决方案。PTMM可以通过可穿戴冷却设备或贴身材料使用。据报道，制冷剂循环和热电冷却器是局部冷却的有效技术。但是，它们的应用总是需要外部电源来控制温度调节机制。基于被动冷却的纺织品无需外部能源即可提供有效的PTMM，因此适用于不同的环境和活动场景。然而，仍然缺乏为人体提供持续冷却和干燥的智能纺织品，尤其是在复杂和动态的环境中。聚乳酸（PLA）是一种具有生物相容性的可降解聚合物，已被探索用于日间被动辐射制冷，但其固有红外发射率太低，在不同的环境中实现持续高效被动制冷仍然是一项挑战。

 

近日，南京大学唐少春教授团队和华中科技大学夏正才教授团队合作报道了一种先进的PLA Janus纤维膜（PLA-JFM），结合了高度纳米颗粒增强的辐射冷却和定向汗液转移蒸发冷却，具有出色的PTMM能力。Janus膜由PLA作为底层和改性PLA（CaSO3/PLA） 作为上层。CaSO3的加入实现了高红外发射率（达96.1%）和高太阳反射率（达96.6%），同时CaSO3纳米颗粒的原位生长使PLA纤维膜从疏水变为亲水。通过有效地结合辐射和蒸发冷却，PLA-JFM即使在高温高湿环境中也表现出卓越的被动冷却效率。定向输水能力为基于汗液的蒸发冷却提供了连续的干燥路径，并在人体周围创造了一个干燥的微环境。PLA-JFM实现了温度和湿度同步管理，大大扩展了其对人类活动各种场景的适用性。此外，其值得称道的安全性、生物降解性和稳定性使其成为一种很有前途的PTMM材料。

 

 

正文

 

利用CaSO3纳米颗粒固有的强红外辐射和最小紫外线吸收特性，对PLA纤维膜单面修饰，提高了PLA膜单面的太阳反射率和红外发射率（达96.1%，比PLA提高了15%），而且CaSO3纳米颗粒的原位生长导致PLA膜从疏水性变为亲水性，使不对称润湿性Janus膜单向传输指数高达945%。定向水传输加速了汗液蒸发，在人体周围创造了干燥的微环境，实现了降温效果。

 

用于PTMM的Janus纤维膜（PLA-JFM）结构设计如图1所示。PLA-JFM的亲水层朝外，疏水层与皮肤接触，这种亲水-疏水形成的梯度结构有助于汗液从皮肤快速转移到外表面层，从而加速汗液的蒸发散热。此外，PLA-JFM膜中纳米纤维形成的三维多孔结构和纳米颗粒提高了太阳光的反射率，减少了太阳光能量的吸收；同时，CaSO3高红外发摄率可将热量辐射到寒冷的外太空。传统的棉纺织品能够吸收汗液，但会留存聚集长时间附着在皮肤表面，而PLA-JFM可将汗液单向转移到远离皮肤的亲水层，加快了散热降温。在干燥环境下，PLA-JFM的红外辐射能力也更强（图1d）。

 

图1 用于PTMM的Janus纤维膜结构设计

(a)人体的散热方式; (b) PLA-JFM结合辐射冷却和蒸发冷却的被动冷却原理图; (c) 常规棉布与PLA-JMF热管理功能的比较; (d) 覆盖在干燥皮肤上的不同样品的红外热像图

 

PLA膜具有表面光滑的纳米纤维相互交错构成的三维网状结构，在其单面生长CaSO3后，表面分布了大量均匀分散的颗粒，如图2a-b所示；图2c为统计的纤维直径和颗粒尺寸分布情况，纤维和颗粒尺寸分布峰值分别为～0.34 μm和～2.76 μm，这与太阳光辐射的波长相当，可导致全波段太阳光强散射。从图2e中可以看出，CaSO3颗粒在PLA纤维上的原位生长使薄膜的表面性质从超疏水性变为超亲水性，棉布大约10 s内达到吸水饱和（约285%），而PLA-JFM在20 s内达到饱和，吸水率高达708%。

 

图2 (a) PLA和(b) CaSO3/PLA膜的SEM图像; (c) PLA纤维直径和CaSO3颗粒尺寸分布; (d) CaSO3生长前后PLA薄膜表面水接触角; (e) 吸水性对比

 

如图3所示，纯PLA薄膜的太阳反射率为91.3%；原位生长CaSO3颗粒后，共振散射的增强使CaSO3/PLA的太阳反射率达到了96.6%。此外，CaSO3/PLA在8~13 μm范围内的红外发射率达到96.1%，远高于纯PLA（仅83.3%）。根据热平衡计算，PLA-JFM日间的理论净降温功率高达79.4 W/m2。

 

在干燥状态下，随机交错超细长纳米纤维的微观结构导致可见光的强烈散射。相比之下，当折射率匹配的液体将纤维膜表面润湿之后，空气-聚合物界面处的散射会显著减少。因此，穿过PLA-JFM的亲水性表面层的太阳光在下面的疏水层中重新散射。PLA-JFM双层结构在吸水后的湿态制冷优势明显，即使在潮湿的条件下也能保持高太阳光反射率和低透射率。

 

图3  (a) PLA-JFM上层和底层的光谱反射率; (b) 红外吸收光谱和键振动红外发射图; (c)白天和(d)夜间PLA-JFM膜的理论净降温功率; (e) 干燥(左)和湿润(右)状态下光线在PLA-JFM薄膜中的散射路径图; 湿润状态下测试的PLA-JFM和CaSO3/PLA薄膜的(f)反射率和(g)透射率

 

具有Janus润湿性的PLA-JFM实现了定向水传输。当水滴接触到疏水性PLA层，会逐渐渗透到下层并继续扩散直至完全转移；而当水接触到亲水性CaSO3/PLA层时只扩散穿过亲水层，不会穿透下层。因此，在实际应用中，疏水层作为和皮肤接触的底层，可吸收过多的汗液并促进其快速蒸发。当水从疏水层输送到亲水层时，单向传输指数R达到945%，当从相反方向输送时，R为-927%，表明PLA-JFM具有优异的定向水输送性能。此外，PLA-JFM的水分蒸发量显著超过了传统棉布和CaSO3/PLA，在实际应用中能够使皮肤迅速干燥。

图4 (a) 定向水输运示意图; 水滴在(b) 疏水侧和(c) 亲水侧的水传输过程；当水滴在(d) 疏水层和(e) 亲水层时，PLA-JFM的顶面和底面上的相对含水量；(f) 三种薄膜样品的水分蒸发率对比；(g) 覆盖在潮湿皮肤上样品的红外热像图

 

PLA-JFM在干燥和潮湿条件下始终显示出有效的降温效果，如图5所示。在晴朗和多云天气下，PLA-JFM均实现了低于环境温度的日间辐射冷却，对不同的天气条件具有强适应性。在干燥和湿润状态下，PLA-JFM的温度与传统棉布相比分别降低了7.5°C和2.1°C，表现出优异的被动制冷效果。

 

图5 (a) 室外热测量的实验装置示意图; (b) 室外热测量的实时太阳辐照强度和样品底部温度；(c) 晴朗和(d) 多云环境的样品温度；(e) 无阳光直射时湿润样品的实时底部温度。

 

图6为户外实际测试结果，在户外环境中PLA-JFM向外部辐射更多的能量，并且潮湿的PLA-JFM在水分转移后短时间内快速干燥，保持了皮肤的舒适环境。PLA-JFM具有良好的透湿性，是传统棉布的1.33倍；其在320~400 nm的紫外线反射率是棉布的2倍多，能更有效阻挡紫外线辐射。因此该工作研制的Janus双面膜材料在人体温度-湿度有效管理方面极具应用潜力。

 

图6 (a)室外环境手臂汗液挥发过程中样品的红外热成像图；(b)样品的水蒸气透过率; (c) 样品的紫外反射率; (d) PLA-JFM的机械强度

 

综上所述，该工作基于静电纺丝PLA薄膜以及单面无机纳米改性手段，制备出辐射制冷和定向汗液蒸发制冷有效结合的薄膜材料。在实际室外应用中，干燥PLA-JFM在60 mW/cm2的光照强度下比环境温度降低4.5°C，比传统棉布低5.6°C。得益于单向水传输、辐射制冷和蒸发制冷的协同作用， PLA-JFM在潮湿环境中比传统棉布低2°C的情况下，干燥速度比传统棉布快46%。这项工作为智能热管理纤维膜材料的设计开发提供了一种有效途径，具有重要的理论借鉴意义和实际应用价值。

南京大学和华中科技大学联合培养的博士研究生杨鹏为本文的第一作者，南京大学唐少春教授、华中科技大学夏正才教授和陈亮副教授为本文的共同通讯作者。

 

相关工作以“Advanced Janus Membrane with Directional Sweat Transport and Integrated Passive Cooling for Personal Thermal and Moisture Management”为题发表于《Advanced Fiber Materials》。