研究：新型排汗冷却材料，“穿在身上的空调”！

现在有一种“穿在身上的空调”，其实就是一种特殊的衣物材料。这种材料就是排汗冷却材料，它以人体的汗液作为动力或刺激源。通过特殊的织物结构或特殊的材料，实现快速吸汗、快速排汗和高透气能力。快速吸汗特性避免了汗液在皮肤上的堆积；快速排汗性能避免了汗液在材料内的饱和，保持材料稳定的吸汗能力，排出汗液的同时带走人体的热量；高透气能力降低皮肤表面的温度和湿度，实现皮肤的干爽。

      因此，今天我们就来了解总结一下结排汗冷却材料的原理、制作方法和商业化应用的现状，并给出一些研究方向建议。

一、市场需求及背景

 

1、便携式制冷的需求   

•   人类生存需要散热以保持恒定的体温。

• 固定有限空间内的制冷技术，可有效排除人体热量，比如在建筑物、汽车、飞机、轮船等。

• 室外敞开空间中，人工制冷的能力相比大自然的能力可以忽略。

• 室外采用便携式局部制冷

• 人们通过穿衣保暖，能否穿衣制冷？

 

2、长工作时间制冷衣的要求 

需要实现长时间的热量调节的可穿戴式的冷却设备，应当不依赖于外部携带的能源或材料； 而直接利用人体本身穿着的衣物来实现冷热调节，则是实现此目标的发展方向。

 

3、电驱动制冷衣 

4、排汗冷却制冷衣的提出 

排汗冷却材料以人体的汗液作为动力或刺激源，通过特殊的织物结构或特殊的材料，改进以下三个方面的功能及相应的材料：

1）快速吸汗

2）快速排汗

3）高透气能力。

• 吸湿速干冷却材料，用于提高 快速吸汗、 快速排汗能力；

• 湿敏形变冷却材料，用于提高接触汗液后的材料 透气能力；

 

二、 吸湿速干冷却材料

吸湿速干冷却材料具有快速吸汗和快速排汗的能力， 包括异形吸湿快干纤维和表面张力驱动微流体排汗材料。

（1）第一种利用纤维的毛细作用力实现快速吸汗，利用增加汗液和空气的接触面积加快蒸发速率实现快速排汗；

（2）第二种利用织物的亲水 特性实现快速吸汗，利用表面张力收集汗液形成大液滴再利用重力脱离实现快速排汗。

 

1、材料1-吸湿快干纤维   

结构：大多数的吸湿快干纤维中间呈中空多孔结构，表面有贯穿式的沟槽设计。

对汗液产生毛细作用力实现汗液的快速吸收，将局部的汗液快速导流、扩散到整个衣物上，以增加汗液-空气接触面积。

异形截面的高比表面积，进一步增加了汗液和空气的接触面积，有利于快速排汗。

 

 

材料2-表面张力驱动微流体排汗材料

 

表面张力驱动微流体排汗材料，是利用表面张力聚集汗液，形成易于脱落的大液滴，从而实现快速排汗。

在结构实现上，表面张力驱动微流体排汗材料 使用超疏水布料作为基底，分别在内、外侧构建超亲水图案。

 

在功能实现上，表面张力驱动微流体排汗材料通过入口处的超亲水图案实现汗液的快速吸收。汗液被超亲水图案吸收后，穿过入口到达布料的外侧汇聚成小液滴，并产生表面张力。在入口亲水图案上，水分聚集产生的表面张力持续推动水分流向出口。出口亲水图案上水分汇集并产生逐渐增大的表面张力。

 

下图展示了一个表面张力驱动微流体排汗材料的实例。其使用的超亲水纱线的亲水性能良好，接触角接近 0°；超疏水纺织品的疏水性能良好，接触角高达 140°。在超疏水材料上用超亲水纱线构建亲水图案能够有效约束液体，形成表面张力驱动微流体排汗。表面张力驱动微流体排汗材料有两大类优点。

第一，保持人体皮肤干燥的能力较强。 该材料可以将皮肤上的汗液快速排出衣服外，避免汗液在皮肤上的聚集，保持了皮肤的干爽；与皮肤接触的布料内侧主要呈现超疏水性，不会吸附汗液堵塞织物间的空隙，保持了干燥的触感和良好的通风性。

第二， 在高湿度环境下仍能保持良好的性能。 在高湿度环境中，非快干面料和使用吸湿快干纤维制作的速干面料外表面的水分蒸发速率降低，造成面料内吸收并排掉汗液的能力下降；而表面张力驱动微流体排汗材料，通过表面张力收集汗液并通过重力排出，基本不受环境湿度影响，因而在高湿度环境下仍能 正常工作。

 

表面张力驱动微流体排汗材料的不足，主要体现在收集汗液的能力较弱。原因在于其仅有入口可以吸收汗液，而入口的覆盖区域有限，不能在整个织物内表面收集汗液。针对表面张力驱动微流体排汗材料收集汗液能 力较弱的问题，一种可行的解决的思路是，增加入口面积占整个内表面的比例，从而尽可能覆盖整个织物内表面。入口面积占比的增加，可以通过增加入口数量来实现。

 

 

三、湿敏形变冷却材料

人体在运动时通过汗液蒸发降低体温，造成衣物和皮肤间的空气温度湿度增加。高温高湿的空气会降低甚至停止水分蒸发，造成闷热感。湿敏形变冷却材料能够加强热量和湿气的排放，提高人体的舒适性。

1、水驱动形状记忆聚合物材料  

 

形状记忆聚合物（SMP）具有在受到外部刺激 时能够快速响应并产生形状变化的能力。一般来说，SMP 的形状恢复是由外部加热引发的。如果加热过程无法进行，则需要考虑应用其他刺激方式。近年来，通过将溶剂分子扩散到聚合物网络中的方法，已经被证明是可行的替代方法。被吸收的溶剂分子可以降低 SMP 的转变温度，起类似增塑剂的作用。典型的工作过程如下图所示。

 

水驱动形状记忆聚合物材料可以使用聚乙烯 醇/氧化石墨烯（PVA/GO）复合材料制作。在 PVA/GO 复合材料中，PVA 聚合物链中的亲水基团 遇水后和水分子形成新的氢键，减弱了原本聚合物 链间的氢键强度，造成 PVA/GO 复合材料的转变温 度下降。

 

 

2、吸湿膨胀多层复合材料  

吸湿膨胀多层复合材料在高湿度环境下发生形变，使用这种材料制作的衣物可以利用形变打开通风窗或减少织物厚度。吸湿膨胀多层复合材料由不同吸湿膨胀率的多层材料复合而成。下图所示的吸湿膨胀双层复合材料中，蓝色的一层是吸湿不膨胀或膨胀率低的薄膜，而红色的一层是高吸湿膨胀 率的薄膜；在加湿环境中，红色薄膜膨胀能力高于蓝色薄膜，造成双层复合材料向蓝色薄膜方向弯曲。

 

吸湿膨胀多层复合材料可以通过多种材料制作而成。下面举例介绍三种材料，分别是氧化石墨烯/还原氧化石墨烯双层薄膜、基于细胞收缩膨胀原理的吸湿形变材料和亲水布料/疏水布料组合材料。氧化石墨烯/还原氧化石墨烯双层薄膜的制作和工作原理如下图所示。氧化石墨烯材料能够通过和水分子产生氢键吸收较多的水分；而还原氧化石墨烯仅能通过范德华力吸收少量水分。因此，在高湿环境下，氧化石墨烯/还原氧化石墨烯双层薄膜 会朝向还原氧化石墨烯层方向弯曲。此外可以通过将氧化石墨烯制成小薄片形状进一步优化其形变能力。

 

基于细胞收缩膨胀原理的吸湿形变材料的结构如下图所示。其工作原理是基于细胞在干燥环境下脱水收缩，在湿润环境下吸水膨胀的特性。其加工过程是利用细胞打印技术，将大肠杆菌细胞呈平行线形状均匀打印在黑色乳胶膜上。该薄膜被放置在干燥环境中（相对湿度15%），细胞脱水并导致形变材料弯曲；在湿润环境中（相对湿度 95%），细胞膨胀，形变材料恢复水平。

 

下图所示的吸湿膨胀多层复合材料由亲水布料/ 疏水布料组合而成。蓝色疏水布料被制作成不同形状结合在白色棉质亲水布料上。当亲水布料/疏水布料吸湿后，棉布吸湿性能好，而疏水布料不吸水， 导致布料向疏水布料方向弯曲。吸湿膨胀多层复合材料的优点，体现在制作工艺简单、还原性能好和制作材料多样性。

 

 

3、湿度梯度响应聚合物材料  

 

湿度梯度响应聚合物材料的形变，可由皮肤表面的汗液蒸发所引起的湿度梯度来驱动。湿度梯度响应聚合物在汗液消失后恢复原状。

湿度梯度响应聚合物材料需要材料两侧产生足够的膨胀差异，以使材料产生足够的形变。由于汗液蒸发产生的湿度梯度大小有限，要产生足够的形变，必然要求材料本身具有较大的湿度膨胀系数。拥有较大湿度膨胀系数的聚合物材料，一般由两种聚合物链组合构成，依靠链间反应产生形变。链间反应包括：同种聚合物的长链在水分子作用下化学键断裂形成大量短链，不同聚合物链之间氢键断裂。由于聚合物链和水分子的化学反应都是可逆反应， 湿度梯度响应聚合物能够在祛湿后恢复原形。

 

上图展示了湿度梯度响应聚合物材料的形变 过程。在初始状态下，水蒸气从下方靠近皮肤处蒸 发而出，形成一个下方湿度高上方湿度低的湿度梯度环境，如上图（a）所示。在吸湿过程，聚合物 下方一侧吸湿量更多，膨胀更加剧烈；聚合物上方一侧吸湿量少，膨胀较小，如上图（b）所示。在 稳定弯曲状态，材料向膨胀较小的一侧弯曲，也就是向远离皮肤的方向，如上图（c）所示。

 

全氟磺酸聚合物材料已被用于制作湿度梯度 响应聚合物材料。其由疏水性的聚四氟乙烯骨架和亲水性的全氟醚磺酸侧链所构成。在高湿度环境中，全氟磺酸可以快速和水交换氢离子并形成大量的水传输通道，从而导致微观态的疏水骨架和亲水侧链的分离，形成剧烈膨胀。PEE-PPy 材料也被用来制作湿度梯度响应聚合物材料。PEE-PPy 聚合物材料微观结构上包括聚吡咯 PEE 骨架和多元醇酯 PPy 动态网络。遇水情况下，PEE长链断裂成短链，PPy 和 PEE 之间的氢键断裂，形成剧烈膨胀，最高可以产生 27 MPa 的压 强，或举起超过 380 倍本身质量的物体。类似的湿度梯度响应聚合物材料还有氧化石墨烯、PACD  

四、排汗冷却材料的应用

 

排汗冷却材料种类较多，各个类别间技术成熟度差别较大。下面按照市场化程度从高到低，对这些产品的应用情况进行介绍。

在已有的排汗冷却材料中，吸湿快干纤维是商业化应用最为成功的材料。老牌吸湿快干纤维品牌Coolmax 与耐克、阿迪达斯、彪马、新百伦等运动品牌合作，开发了一系列的运动产品并在市场上销售。

新晋冷却面料品牌 COOLCORE 推出了一系列产品，如男女服饰、运动毛巾和运动护具等，并与迪士尼、Dr. Cool 等品牌展开合作。

大型运动品牌企业也在积极发展自己的快速吸汗排汗技术，如耐 克公司推出的 DRI-FIT快干面料，阿迪达斯推出的 ClimaChill 系列快干面料，哥伦比亚公司的 Omni Wick 技术等。基于形状记忆聚合物材料制作的冷却面料曾在市场上销售，但在商业上的成果则不如吸湿快干 纤维。耐克在2007年推出过基于形状记忆技术的Sphere React Shirt 智能衬衫，其上布置的直径约 10 mm 的通风口可以打开并允许汗水和热量逸 出；但该产品现已退市。表面张力驱动微流体排汗材料还处在由创业 公司发布概念性产品的阶段，没有市面上销售的产品。位于美国加州的 Atacama 创业公司在官网上推 出了概念性速干冷却产品[30]。除了上述已经被商业化的技术以外，许多排汗 冷却技术还处在实验室发展原型的阶段。其中，使 用亲水布料/疏水布料组合材料制作的排汗冷却材料，因为其使用商业材料制作，且制作方法简单， 后续的商业化前景较好。

 

 

5、总结和展望

关键内容概括如下：

（1）排汗冷却材料主要分为两类，即吸湿速干冷却材料和湿敏形变冷却材料。

（2）吸湿速干冷却材料包括吸湿快干纤维和表面张力驱动微流体排汗材料。

（3）湿敏形变冷却材料包括水驱动形状记忆聚合物材料、吸湿膨胀多层复合材料和湿度梯度响应聚合物材料。

在驱动形式上，水驱动形状记忆聚合物材料和吸湿膨胀多层复合材料被高湿度的空气 或水驱动，而湿度梯度响应聚合物材料被湿度差驱动。

在形变能力上，水驱动形状记忆聚合物材料不能连续形变，方向单一且取决于预设形状；吸湿膨 胀多层复合材料可以随着湿度的提高连续变化，方向单一且取决于两层材料的膨胀率；湿度梯度响应聚合物材料随湿度梯度大小而变化，方向可以随着湿度梯度的反转而反向弯曲。

在形变速率上，湿度梯度响应聚合物材料普遍较快，水驱动形状记忆聚合物材料和吸湿膨胀多层复合材料相对较慢。表 1 概括了这些特性。

 

对于未来具有吸湿功能的智能冷却面料发展， 提出如下的建议与展望。

（1）对于吸湿速干冷却材料的研究，可以尝试将吸湿快干纤维与表面张力驱动微流体排汗材料相结合，提高表面张力驱动微流体排汗材料的吸湿效率。此外，还可以研究汗液对于表面张力驱动微流体排汗材料性能的影响。

（2）对于湿敏形变冷却材料的研究，可以尝试将吸湿速干冷却材料和湿敏形变冷却材料相结合。具体的结合方法包括：使用吸湿速干冷却材料制作湿敏形变冷却材料，或转化湿敏形变冷却材料成为 吸湿速干冷却材料。

版权声明：本文作者丁屹，由制冷空调换热器技术联盟编辑整理，转载请注明来源。