Advanced Sustainable Systems | 个人热管理织物：光谱辐射、定向水传输和动态热调控|光谱|发射率|梯度|疏水|辐射

背景介绍

当前全球气候变暖趋势加剧，热相关疾病对人体健康的影响持续凸显，如何保持人体热湿舒适性是研究的重要方向之一。人体热平衡的维持主要依赖于“皮肤-织物-环境”系统调节。传统的思路大多选择从“环境”层面入手，即使用空调改变人体周围环境温度，但这样会面临着能耗巨大，以及无法适用于室外环境的窘境。相比之下，若通过“织物”直接调节人体微环境，便能灵活适配各类使用场景，且无需额外消耗能源。因此，如何发展先进的人体热调控织物已成为极具潜力的新方向。目前已有大量工作研究探讨如何将被动式辐射冷却技术集成于人体热调控织物。但单一辐射冷却存在明显短板：汗水浸润会降低辐射冷却性能、难以应对环境气候的波动。因此，如何开发具有自适应调控的高性能热调控织物成为重要发展方向，需同时解决光谱调控、定向水输运与动态热调节三大核心问题。

成果展示

基于此，本文系统梳理了人体热调控织物的设计原理与方法，从光谱调控、定向输水和动态热调节三个维度展开深入分析。构建了人体热调控织物的设计理论框架与技术发展路线，并总结展望了现存技术挑战及未来发展方向：如何兼具优异光谱、定向水运输、动态调控特性；如何在维持高性能的前提下保证织物耐磨耐洗涤、抗紫外线、色彩；如何实现织物安全的大规模生产等，有助于推动这一绿色高效的技术从实验室走向大规模工程应用，为建筑节能、人体热舒适性调控等领域提供可靠的解决方案。

首先，对于光谱调控，不同场景对织物的光谱要求截然不同：在室外，织物可直接与天空及环境相互作用，为了实现日间辐射冷却，通常需要织物满足高太阳光反射率及中红外发射率，但这样在室内或阴雨天并不能发挥明显作用；在室内，织物通常面临温度稳定且相对较低的建筑墙面，此时则需要织物在中红外波段保持高透过性，最大限度减小对人体自身散热的阻碍，但这样缺乏主动降温措施，室外冷却效果较差；为同时适应室内室外环境，织物在中红外波段仅需在大气透过窗口保持高发射率，在非大气窗口则需保持高透过率，同时为了避免太阳加热，在太阳光波段仍需保持高发射率。这些光谱性能的调控可通过选择合适制备材料、添加特定颗粒来实现。

其次，对于定向水运输调控，织物需要及时将汗液排出至外侧并快速蒸发以保持人体皮肤干燥凉爽。主流的设计方案均基于Janus结构：由一层疏水层和一层亲水层组成，利用拉普拉斯压差实现汗水从疏水侧向亲水侧单向运输并蒸发。随着研究不断深入，有学者提出在润湿梯度基础上再引入孔径梯度，构成内层大孔疏水、外层小孔亲水的异质复合结构，以进一步增强定向水运输能力；还有学者提出在Janus结构的基础上，再向中间加入一层润湿性介于内外两层之间的传输层，形成润湿梯度结构，使得汗液需经过多层传输，这样能有效避免汗水从亲水侧反向渗透回疏水侧。

最后，对于动态调控，可依据人体散热途径（辐射、排汗、对流、导热）选择不同的调控机理。具体的调控设计方案可分为设计双面可翻转织物、添加热致变色微胶囊、设计温湿度响应纤维或散热窗口、添加相变材料等等。这些调节方法相互独立，可耦合多种模式、互补优缺点，从而实现高效稳定自适应热调控。

相关研究成果受邀以“Advanced Textiles for Personal Thermal Management: Spectral Radiation, Directional Water Transport, and Dynamic Thermal Regulation”为题发表于期刊Advanced Sustainable Systems，第一作者为中南大学本科生张晓宇，通讯作者为中南大学陈梅洁副教授。