斯坦福大學崔屹團隊Nat. Commun.：用于個人排汗管理的熱傳導和汗液運輸的集成冷卻 (i-Cool) 紡織品

【引言】

脆弱的人體系統在溫度范圍較窄的（休息時核心溫度為36-38℃，劇烈運動時可達41℃）情況下，蒸發在人體體溫調節中起著不可或缺的作用。即使在溫和的狀態下，干燥的人體通過汗液的水蒸氣損失約有20%的熱量散失。隨著熱負荷的進一步增加，汗液的蒸發會造成越來越多的熱量損失，并在劇烈運動和濕熱環境中成為人體散熱的主要途徑，在這種情況下，多余的熱量無法通過其他途徑有效散失。日常使用的最先進的紡織品通常有足夠好的水蒸氣傳輸能力，以確保溫和狀態下的舒適性。然而，當人體處于更強烈的情況下，如中度/大量排汗的情況下，不可避免會出現汗液，則傳統紡織品的冷卻性能有待提高。為了避免皮膚變得更濕，最先進的紡織品往往側重于排汗。由天然纖維制成的紡織品，如棉，顯示出很強的吸水能力，可以幫助迅速減輕濕潤感。盡管合成纖維吸濕能力有所下降，但合成纖維具有比天然纖維更強的水分輸送能力，將水分輸送到紡織品表面以更快地蒸發。此外，還提出了包括表面親水性/疏水性改性、具有不同潤濕性的多層設計和具有毛細孔梯度的多尺度互連孔的分層設計等策略，以更好地控制定向輸水。

然而，如何有效地釋放汗液蒸發的冷卻能力，用于人體體溫調節，并根據人體排汗過程的規律設計紡織品，卻沒有被考慮到。在體溫調節方面，汗液的蒸發是為了帶走多余的熱量。然而，在傳統的紡織品上，由于熱傳導有限，蒸發的熱量不能有效地從皮膚中獲取，因此，人體皮膚下面的溫度并沒有得到有效的降低。另外，即使關于傳統紡織品的蒸發率，它也是相對受限的，因為皮膚熱量不能有效地傳遞到蒸發界面以加速蒸發。低效的冷卻效果將導致進一步的出汗，同時，緩慢的汗液蒸發，將導致汗液在紡織品中的積累。一旦達到織物的吸收極限，這一過程可能會破壞紡織品的緩沖作用，此時，人體將再次變得潮濕和粘稠。過多的汗水也會造成潛在的脫水、電解質紊亂、身體和精神退化甚至死亡的風險。此外，當人們處于高度活躍的情況下，所能達到的最大汗液蒸發冷卻能力實際上限制了人體的最大活動水平。因此，除了良好的排汗性能外，最適合排汗的紡織品還應具有高的蒸發能力，更重要的是高汗液蒸發冷卻效率，以高效的方式利用汗液，用最小的汗液量提供足夠的冷卻效果。

【成果簡介】

近日，在斯坦福大學崔屹教授團隊等人帶領下，提出了一種具有獨特功能結構設計的集成冷卻（i-Cool）紡織品，用于個人排汗管理。將導熱通道和水傳輸通道巧妙地結合在一起，i-Cool不僅具有液體排汗功能，還具有增強的蒸發能力和高汗液蒸發冷卻效率。在穩態蒸發試驗中，與棉花相比，每單位汗液蒸發可使含水率降低100%以上，皮膚功率密度增加3倍以上。此外，在人工出汗的皮膚測試中，i-Cool顯示出約3℃的冷卻效果，并且比棉花大大減少了汗水消耗。i-Cool設計原理在商業面料上的實際應用可行性得到了很好的驗證。由于其卓越的個人排汗管理性能，團隊期望i-Cool概念可以為下一代排汗管理紡織品提供有前景的設計指南。該成果以題為“Integrated cooling (i-Cool) textile of heat conduction and sweat transportation for personal perspiration management”發表在了Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

圖1 集成冷卻（i-Cool）紡織品的功能結構設計及其工作機制示意圖

a, i-Cool紡織品的示意圖。

b, i-Cool紡織品的工作機制示意圖。

c，傳統紡織品與i-Cool紡織品的比較。

圖2 i-Cool (Cu) 紡織品的芯吸性能、耐熱性和瞬態液滴蒸發測試

a，制備好的i-Cool (Cu)紡織品的照片。比例尺：1?cm。

b，導熱基體孔隙中的尼龍6nm纖維（藍色虛線框）和導熱基體骨架頂部的納米纖維（紅色虛線框）的SEM圖像。比例尺：1 μm。

c, i-Cool (Cu)、棉花和其他商業紡織品的吸汗率。

d，用切斷條法測量i-Cool (Cu)、棉花和其他商業紡織品的熱阻。

e，瞬態液滴蒸發測試的示意圖。

f、i-Cool (Cu)紡織品與常規紡織品的平均皮膚溫度和平均蒸發率（初始水量：0.1 mL，皮膚加熱器功率密度：422.5 W/m²）。

g，不同皮膚溫度下，i-Cool (Cu)和棉花的擬合平均蒸發速率與初始水量的關系。

圖3 i-Cool (Cu) 紡織品、棉花和 Dri-FIT 的穩態蒸發測試

a，測量裝置和方法示意圖。

b，不同蒸發率（v）下測量的水質量增加率（W）。

c，通過(b)擬合得到的dW/dv。i-Cool (Cu)可以在獲得一定蒸發速率的同時獲得較低的吸水率。較大蒸發速率所需的水分增加也減少了。

d，在不同蒸發速率(v)下測量的功率密度(q)。

e，通過擬合（d）中的數據得到dq/dv。i-Cool（Cu）顯示出增強的冷卻效果，具有更高的汗液蒸發冷卻效率。

圖4 帶有反饋控制回路和測量的人工出汗皮膚平臺

a，人體溫度自我調節機制的示意圖。

b，模擬人體溫度自我調節機制的反饋控制回路的人工出汗皮膚平臺示意圖。

c，人工排汗皮膚詳細結構示意圖。紅色虛線框中的示意圖顯示了改良janus型排汗層的工作機制，實現了模擬人類皮膚排汗場景的均勻排汗。

d, 裸體皮膚、i-Cool (Cu)和商業紡織品（皮膚功率密度：750 W/m²，環境溫度：22 ℃）的皮膚溫度和出汗率測量結果。插圖顯示了i-Cool (Cu)和棉布在測試期間穩定一小時后的照片。

e, 裸體皮膚、i-Cool (Cu)和其他傳統紡織品在不同皮膚功率密度下的皮膚溫度和出汗率的測量結果。

f，在高環境溫度（40℃）下測量的皮膚溫度和出汗率。

g，在高相對濕度環境（~80%）下測量的皮膚溫度和出汗率。

圖5?i-Cool (Ag)紡織品的i-Cool功能結構的實際應用可行性

a，基于市售織物的 i-Cool (Ag) 紡織品的制造過程示意圖。

b, 以Dri-FIT為基材的i-Cool (Ag)紡織品的制造過程照片。

c，SEM 圖像顯示織物基材的 PET 纖維上均勻且保形的 Ag 涂層。比例尺：50 μm。 插圖顯示了 i-Cool (Ag) 從底部觀察的照片。 比例尺：4 mm。

d, i-Cool (Ag)和其他紡織品在穩態蒸發測試中不同蒸發率下的測量水質量增加率。

e，在穩態蒸發測試中，i-Cool (Ag)和其他紡織品在不同蒸發率下測量的功率密度。

f，通過反饋控制回路在人工排汗皮膚平臺上測量i-Cool (Ag)紡織品的皮膚溫度和排汗率。

【小結】

綜上所述，該團隊報告了一種具有獨特功能結構設計的新穎概念的i-Cool紡織品，用于個人汗液管理。創新性地采用了集成水傳輸和導熱功能部件，不僅保證了其排汗能力，而且通過高效利用汗液，實現了快速的蒸發速度，增強了蒸發冷卻效果，減少了人體的脫水，這一點通過瞬態和穩態蒸發試驗得到了證明。實現了一種模擬人體出汗情況的反饋控制回路的人工出汗皮膚平臺，在這個平臺上，i-Cool（Cu）紡織品顯示出與裸露皮膚相當的性能，與傳統紡織品相比，提供的汗水更少，具有明顯的冷卻效果。同時，在各種運動和環境條件下，其結構優勢得以保持。此外，i-Cool設計原則的實際應用可行性得到了證明，表現出良好的性能。因此，團隊預計i-Cool紡織品將為個人排汗管理的紡織品提供新的見解。

文獻鏈接：Integrated cooling (i-Cool) textile of heat conduction and sweat transportation for personal perspiration management（Nat. Commun.，2021，DOI：10.1038/s41467-021-26384-8）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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