在日常生活中，運(yùn)動服裝的汗液管理功能一直備受關(guān)注。常見的功能性面料主要包括具有單向?qū)芰Φ摹癑anus”面料和類似皮膚排汗機(jī)制的“類皮膚”面料。然而，由于兩者水分傳輸機(jī)制不同，實現(xiàn)同時具備這兩種功能的面料仍面臨巨大挑戰(zhàn)。Janus面料依靠雙側(cè)潤濕性差異實現(xiàn)單向?qū)诔龊馆^多情況下導(dǎo)水能力有限；而類皮膚面料雖能在高濕度環(huán)境下有效排汗，卻不適用于低強(qiáng)度運(yùn)動。目前尚未有一種面料能夠根據(jù)出汗率自適應(yīng)調(diào)節(jié)水分傳輸行為。

東華大學(xué)陳晴副教授、中國計量大學(xué)徐鵬教授及香港理工大學(xué)壽大華教授合作，研發(fā)出一種出汗率自適應(yīng)的針織面料（Sweating Rate-Adaptive Knitted Fabric, SRAF），成功實現(xiàn)了Janus與類皮膚雙功能集成。該研究通過等離子預(yù)處理和表面涂層技術(shù)，對羊毛/丙烯酸混紡紗線進(jìn)行潤濕性調(diào)控，中等疏水紗線的芯吸長度在270秒內(nèi)相比原紗提高523%，超疏水紗線接觸角達(dá)150°，且具有良好的耐洗性。該面料在3 mL/h低汗率下可實現(xiàn)單向?qū)c大面積擴(kuò)散，在15 mL/h高汗率下則能部分排液，實現(xiàn)自適應(yīng)汗液管理。相關(guān)論文以“Sweating Rate-Adaptive Knitted Fabric with Janus and Skin-Like Functions”為題，發(fā)表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

通過紗線表面形貌的掃描電鏡圖片可見，原始紗線由表面具有鱗片結(jié)構(gòu)的羊毛和帶溝槽的丙烯酸纖維組成；經(jīng)親疏水劑處理后，纖維表面覆蓋一層處理物質(zhì)，元素分布顯示改性未引入F元素，環(huán)保性良好。紅外光譜分析表明，中等疏水紗線在1112 cm?1處出現(xiàn)C–O–C伸縮振動峰，印證了親水劑中酯醚官能團(tuán)的存在。耐洗測試顯示，超疏水面料的水接觸角在經(jīng)過10次洗滌后仍保持在142°–150°之間，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性。

圖1. a) 原始紗線的SEM圖像 b) 中等疏水紗線的SEM圖像 c) 超疏水紗線的SEM圖像 d) 超疏水紗線的元素分布 e) 紗線的FTIR紅外光譜分析 f) 中等疏水紗線織物洗滌后的潤濕時間 g) 原始紗線與超疏水紗線織物洗滌后的表面接觸角 h) 紗線的芯吸長度測試 i) 不同紗線的吸水量 j) 不同紗線的吸水率

在紗線性能評估中，中等疏水紗線展現(xiàn)出最佳的芯吸性能和吸水性，其芯吸長度在270秒內(nèi)達(dá)到4.05厘米，吸水量和吸水率分別為0.0395 g和415.79%。超疏水紗線則幾乎無芯吸行為，吸水性最低。拉伸測試表明，疏水改性對紗線的斷裂強(qiáng)力影響較小，中等處理后略有下降，超疏水處理后則略有提升。

圖2. a) 織物靜水壓測試裝置 b) 三種類型織物的靜水壓變化 c) 三種織物的最大靜水壓差 d) 三種織物的注水持續(xù)時間

進(jìn)一步對單一潤濕性紗線所編織的面料進(jìn)行測試，在靜態(tài)水壓實驗中，超疏水面料具有最長的進(jìn)水時間（52.67 s）和最大水壓差（36.87 mmH?O），中等疏水面料則幾乎無靜水壓?？篂R性測試中，超疏水面料獲得了最高4級評級，而中等疏水面料抗?jié)裥暂^差。水/乙醇溶液抗?jié)駥嶒炓豺炞C了超疏水面料對高濃度酒精滴液仍具有良好的排斥能力。

圖3. a) 織物的抗液體噴濺測試 b) 水/乙醇混合液在織物表面的潤濕狀態(tài)

SRAF面料結(jié)構(gòu)設(shè)計獨特，背面為中等疏水點與超疏水區(qū)域相間分布，正面則為“鳥眼組織”混合編織。經(jīng)測試，背面中等疏水點處接觸角為132°，超疏水點處為150°，正面交織區(qū)為142%。滴液實驗表明，超疏水點液滴保持原位，而中等疏水點則持續(xù)被吸收，表現(xiàn)出明顯的單向?qū)匦浴?/span>

在人體手臂實驗中，SRAF面料在注水后外表面液滴呈條狀分布，而對照面料中則呈圓狀濕潤；皮膚溫度記錄顯示，SRAF覆蓋區(qū)域濕潤面積小、局部溫度高，體現(xiàn)出更優(yōu)的汗液管理性能。在不同注水速率下，SRAF在3 mL/h時背面呈點狀濕潤、正面呈橫向條狀擴(kuò)散；在15 mL/h時部分液滴從面料表面脫落，實現(xiàn)了從“單向擴(kuò)散”到“液滴排出”的自適應(yīng)切換。液體積聚對比實驗表明，SRAF在高汗率下可排出約0.5 mL液體，而對照面料無此功能。

圖4. a) SRAF織物的正反面細(xì)節(jié)及接觸角 b) 1 mL液滴測試 c) 人體手臂覆蓋不同織物后的效果對比

圖5. a) 3 mL/h注水速率下SRAF與對照織物的潤濕狀態(tài)對比 b) 15 mL/h注水速率下SRAF與對照織物的潤濕狀態(tài)對比 c) 液滴從織物正面滴落 d) 注水速率在3與15 mL/h之間切換時SRAF的潤濕狀態(tài)

圖6. a) 文獻(xiàn)中注水速率對比 b) 15 mL/h注水速率下SRAF與對照織物的集水量對比 c) 3 mL/h注水速率下織物正面的潤濕長度 d) 15 mL/h注水速率下織物正面的潤濕長度

通過COMSOL多物理場仿真，研究團(tuán)隊建立了中等疏水紗線的芯吸模型，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)誤差小于3%，驗證了模型的有效性。此外，通過紗線滲透率預(yù)測織物芯吸行為，誤差低于5%，實現(xiàn)了從紗線到織物的多尺度性能關(guān)聯(lián)。

圖7. a) 雙股紗的幾何簡化模型 b) 紗線幾何截面簡化示意圖 c) 60秒內(nèi)紗線芯吸長度與速度的模擬 d) 30秒和60秒時理論與實驗結(jié)果的對比

圖8. a) SRAF織物的水分傳輸過程示意圖 b) SRAF織物的水分傳輸原理示意圖 c) SRAF織物中單根彎曲紗線的2分鐘水分傳輸實驗與模擬對比

圖9. a) 中等疏水與超疏水紗線表面等離子預(yù)處理裝置示意圖 b) SRAF織物的三維視圖 c) 中等疏水紗線芯吸長度測試平臺

該研究成功設(shè)計出一種具備出汗率自適應(yīng)水分傳輸功能的針織面料，融合了單向?qū)c類皮膚排汗雙機(jī)制，擴(kuò)展了濕管理紡織品的基礎(chǔ)理論與實際應(yīng)用前景。通過對紗線潤濕性的精準(zhǔn)調(diào)控與織物結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了在低汗率下增強(qiáng)蒸發(fā)冷卻、在高汗率下快速排汗的智能響應(yīng)。該工作為開發(fā)下一代高性能運(yùn)動與功能性服裝提供了可行的材料策略與理論支持。

來源：高分子科學(xué)前沿