文獻前沿丨Nano-Micro Lett.：基于纖維素的智能Janus織物：具有可切換液體傳輸功能的個人熱濕管理材料

近年來，具有Janus結構的紡織品因其能夠有效提高人體舒適度的潛力而備受關注。然而，目前大多數研究集中于實現織物的單向導濕功能，使得當人體處于動態變化的環境中時，織物難以實現連續、可調的汗液傳輸與熱管理的協同集成。因此，為解決上述難題，本文設計出一種兼具動態熱濕調控、多維度防護與結構穩定性的全纖維素基的Janus智能織物。該織物具有三層結構，以棉織物（cotton fabric，CF）為基材，首先通過自由基接枝聚合將溫敏性N-異丙基丙烯酰胺（N-isopropylacrylamide，NIPAM）接枝于棉纖維表面，構建溫度響應型孔隙通道；隨后采用分層噴涂工藝，在織物兩側分別噴涂疏水乙基纖維素（ethyl cellulose，EC）與親水纖維素納米纖維（cellulose nanofiber，CNF）-石墨相氮化碳（graphitic carbon nitride，g-C?N?）復合涂層，形成不對稱潤濕性結構，同時借助g-C?N?實現織物的紫外線防護與光動力抗菌性能。實驗表明，該智能織物在10-40℃溫度范圍內，汗液傳輸時間可從66s動態調控至3s，實現高溫下快速排汗散熱、低溫下減緩蒸發保溫的自適應調節。并且該織物具有優異的光催化抑菌效果，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率分別達97.17%和95.12%。同時，該織物經反復扭曲、拉伸與清洗后仍保持結構穩定與性能一致，顯示出良好的機械耐久性與使用可靠性。該研究實現了溫度響應型動態導濕與紫外線防護、光動力抗菌性能的一體化集成，為開發適用于大幅溫差環境的多功能自適應智能紡織品提供了創新思路。相關工作以Smart Cellulose-Based Janus Fabrics with Switchable Liquid Transportation for Personal Moisture and Thermal Management為題發表在Nano-Micro Letters期刊。

為了構建一種能在動態溫度環境中實現智能化熱濕管理的Janus織物，本文設計了一種基于纖維素的三層結構智能織物(圖1)。該織物通過接枝溫敏聚合物PNIPAM構建中間調控層，并在兩側分別噴涂疏水EC和親水CNF / g?C?N?，形成不對稱潤濕性結構。通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM) 圖像對比了原始棉織物、接枝PNIPAM后以及最終Janus織物兩側的微觀形貌與纖維表面粗糙度(圖2)。結果表明，PNIPAM接枝使纖維些微粗大，織物平均孔徑減?。欢鴥蓚鹊墓δ芡繉邮估w維的親水性能大幅提升。圖 3直觀演示了Janus織物的定向水傳輸性能及其溫度響應特性。實驗顯示，水滴在親水側無法穿透，而在疏水側則可垂直快速傳輸至親水側。在10-40℃溫度范圍內，汗液傳輸時間可從66s動態調控至3s。圖4從力學角度分析了不同結構的織物的抗重力水傳輸性能差異，并證明織物孔徑隨溫度變化是實現傳輸速度調控的關鍵，而合適的涂層厚度與顯著的潤濕性梯度保障了單向傳輸效率。實際應用評估顯示，該織物在高溫下可實現3.4°C的散熱，在低溫下則能有效提升溫度2.1°C (圖5)。這項研究為開發適用于大幅溫差環境的自適應智能紡織品提供了創新解決方案。

圖1.(a)JCF的制備過程。(b)具有Janus潤濕性、用于人體熱濕管理的智能織物示意圖。

圖2. (a) CF、(b) NCF、JCF的疏水側(c)與親水側(d)的SEM圖像。(e) NCF、(f)無CN的JCF與(g) JCF親水側的纖維表面粗糙度。(h) JCF親水側的元素分布圖及能譜（EDS）圖譜。

圖3.(a) 25°C時水滴滴在JCF的親水側的情況。(b)25°C時水滴滴在JCF的疏水側的情況。(c)在10℃、25℃及40℃條件下，水滴從疏水側（接觸皮膚的一側）垂直運輸到親水側（暴露在環境的一側）的過程。(d) JCF在不同溫度下的抗重力水傳輸時間。(e)各類織物的芯吸高度。(f)在10℃、25℃及40℃條件下，CF和JCF的水分蒸發速率。

圖4. (a-c) 25℃下不同織物的抗重力定向輸水性能及定向輸水機制示意圖。在(d) 10℃、(e) 25℃、(f) 40℃條件下的抗重力定向輸水機制示意圖。

圖5. (a) CF和JCF在20°C下快速導濕性能的實際測試。(b)織物潤濕后黏附性的測試。(c) 20°C條件下棉織物（右側）和JCF（左側）貼合濕皮膚時的導濕性能及快速輸水效果。人體處于靜息狀態時，在(d)40°C和(e)10°C下織物貼合皮膚時的紅外熱成像圖像。人體處于運動狀態時，在(f) 40°C和(g) 10°C下織物貼合濕皮膚時的紅外熱成像圖像

小結：綜上所述，本研究設計了一種具有Janus潤濕性和可智能調控定向水傳輸速度的纖維素基三層織物。通過對CF接枝NIPAM，構建了具有溫度響應性的孔道結構；同時，在織物兩側分別使用疏水性EC和親水性CNF，形成潤濕性梯度，從而構建出Janus結構。該結構因其纖維素間的強氫鍵作用而具有良好的穩定性。在高溫環境下，織物通過增大孔徑并加速汗液蒸發來實現皮膚冷卻；當進入低溫環境時，織物孔徑縮小、汗液蒸發速率減緩，在保持體感干爽的同時有效維持體溫、防止過冷現象的發生。此外，通過在Janus織物的親水側引入g-C?N?納米片，進一步提升了其紫外線屏蔽性能并使其具有光動力抗菌功能。這種智能織物在個人濕熱管理領域展現出廣闊的應用前景。

論文信息：Xi, J., Lou, Y., Meng, L. et al. Smart Cellulose-Based Janus Fabrics with Switchable Liquid Transportation for Personal Moisture and Thermal Management. Nano-Micro Lett. 17, 14 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01510-5

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