在日常生活中，運動服裝的汗液管理功能一直備受關注。常見的功能性面料主要包括具有單向導水能力的“Janus”面料和類似皮膚排汗機制的“類皮膚”面料。然而，由于兩者水分傳輸機制不同，實現同時具備這兩種功能的面料仍面臨巨大挑戰。Janus面料依靠雙側潤濕性差異實現單向導水，但在出汗較多情況下導水能力有限；而類皮膚面料雖能在高濕度環境下有效排汗，卻不適用于低強度運動。目前尚未有一種面料能夠根據出汗率自適應調節水分傳輸行為。

東華大學陳晴副教授、中國計量大學徐鵬教授及香港理工大學壽大華教授合作，研發出一種出汗率自適應的針織面料（Sweating Rate-Adaptive Knitted Fabric, SRAF），成功實現了Janus與類皮膚雙功能集成。該研究通過等離子預處理和表面涂層技術，對羊毛/丙烯酸混紡紗線進行潤濕性調控，中等疏水紗線的芯吸長度在270秒內相比原紗提高523%，超疏水紗線接觸角達150°，且具有良好的耐洗性。該面料在3 mL/h低汗率下可實現單向導水與大面積擴散，在15 mL/h高汗率下則能部分排液，實現自適應汗液管理。相關論文以“Sweating Rate-Adaptive Knitted Fabric with Janus and Skin-Like Functions”為題，發表在期刊《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構的羊毛和帶溝槽的丙烯酸纖維組成；經親疏水劑處理后，纖維表面覆蓋一層處理物質，元素分布顯示改性未引入F元素，環保性良好。紅外光譜分析表明，中等疏水紗線在1112 cm?1處出現C–O–C伸縮振動峰，印證了親水劑中酯醚官能團的存在。耐洗測試顯示，超疏水面料的水接觸角在經過10次洗滌后仍保持在142°–150°之間，表現出優異的耐久性。

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，中等疏水紗線展現出最佳的芯吸性能和吸水性，其芯吸長度在270秒內達到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時間

進一步對單一潤濕性紗線所編織的面料進行測試，在靜態水壓實驗中，超疏水面料具有最長的進水時間（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。抗濺性測試中，超疏水面料獲得了最高4級評級，而中等疏水面料抗濕性較差。水/乙醇溶液抗濕實驗也驗證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

SRAF面料結構設計獨特，背面為中等疏水點與超疏水區域相間分布，正面則為“鳥眼組織”混合編織。經測試，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被吸收，表現出明顯的單向導水特性。

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覆蓋區域濕潤面積小、局部溫度高，體現出更優的汗液管理性能。在不同注水速率下，SRAF在3 mL/h時背面呈點狀濕潤、正面呈橫向條狀擴散；在15 mL/h時部分液滴從面料表面脫落，實現了從“單向擴散”到“液滴排出”的自適應切換。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織物的正反面細節及接觸角 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對比 b) 15 mL/h注水速率下SRAF與對照織物的潤濕狀態對比 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

圖6. a) 文獻中注水速率對比 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，研究團隊建立了中等疏水紗線的芯吸模型，模擬結果與實驗數據誤差小于3%，驗證了模型的有效性。此外，通過紗線滲透率預測織物芯吸行為，誤差低于5%，實現了從紗線到織物的多尺度性能關聯。

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

該研究成功設計出一種具備出汗率自適應水分傳輸功能的針織面料，融合了單向導水與類皮膚排汗雙機制，擴展了濕管理紡織品的基礎理論與實際應用前景。通過對紗線潤濕性的精準調控與織物結構設計，實現了在低汗率下增強蒸發冷卻、在高汗率下快速排汗的智能響應。該工作為開發下一代高性能運動與功能性服裝提供了可行的材料策略與理論支持。

來源：高分子科學前沿