Advanced Functional Materials:基于仿生植物蒸腾作用的吸湿凉爽功能性纺织品

随着生活水平的不断提高,人们对于服装的多功能性与舒适性要求越来越高,具有吸湿凉爽的功能性纺织品需求量也逐渐增加。人们在运动过程因产生大量热量而产生不适感时,主要以出汗蒸发与织物内外热传导等形式进行散热。然而,快速的出汗蒸发依赖于织物相互贯通的毛细孔隙,而高效的内外导热则需要致密结构,两者的优化平衡存在冲突。目前吸湿凉爽功能性面料的研发通常局限于导湿能力的增强而忽略了材料本身的散热性能,仍存在导湿与散热性能无法同步提升的瓶颈。

植物经过数百万年的自然进化形成了一种最优化的水分传输与热量散发系统——蒸腾作用,即使在炎热高湿地区也能生存。通过维管组织和叶脉系统的多级分叉网络,植物可以获得日常所需的营养物质、水分以及热量交换,且连通的多级分叉网络要比平行结构具备更多的传热传质路径,水分与热量的迁移效率更高且均匀。很容易发现,植物蒸腾作用和吸湿凉爽纺织品的工作原理是相通的。植物从地下汲取水分,通过维管与叶脉系统进行运输,促进养分的传递和水分蒸发,从而避免高温损伤;吸湿凉爽纺织品从皮肤表面汲取汗液,通过纤维间的毛细孔道快速传递蒸发,为人体提供干燥、凉爽的微气候。因此,受维管植物蒸腾作用的启发,具有多级互连网络结构的纤维膜可为多功能吸湿凉爽纺织品的优化设计提供新思路。

近日,东华大学丁彬教授、王先锋研究员课题组基于仿生植物蒸腾作用成功制备了具有多级互连网孔结构的吸湿凉爽纺织品。该织物基于聚氨酯/氮化硼纳米片(PU/BNNS)高导热取向纤维以及纤维间多级分叉的互通孔道,可实现反重力单向导湿与高效散热。所得仿生织物的单向导湿指数可达1072%,水分蒸发速率可达0.36g/h,通过热红外摄像机可以直观的发现仿生PU/BNNS纤维膜与传统织物相比在干/湿条件下均表现出更好的散热性能。此外,在优化性能的基础上,该工作提出了基于多级互连网孔结构的导湿散热机制,为深入了解纤维材料多级连通孔道中的热湿输运提供了理论依据,为多功能吸湿凉爽纺织品的设计与开发提供了借鉴。相关工作以“A Biomimetic Transpiration Textile for Highly Efficient Personal Drying and Cooling”为题,发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202008705)。该研究工作得到了国家自然科学基金(52073052,51925302)、上海市自然科学基金(20ZR1470800)等项目的支持。