斯坦福大学崔屹团队Nat. Commun.：用于个人排汗管理的热传导和汗液运输的集成冷却 (i-Cool) 纺织品

【引言】

脆弱的人体系统在温度范围较窄的（休息时核心温度为36-38℃，剧烈运动时可达41℃）情况下，蒸发在人体体温调节中起着不可或缺的作用。即使在温和的状态下，干燥的人体通过汗液的水蒸气损失约有20%的热量散失。随着热负荷的进一步增加，汗液的蒸发会造成越来越多的热量损失，并在剧烈运动和湿热环境中成为人体散热的主要途径，在这种情况下，多余的热量无法通过其他途径有效散失。日常使用的最先进的纺织品通常有足够好的水蒸气传输能力，以确保温和状态下的舒适性。然而，当人体处于更强烈的情况下，如中度/大量排汗的情况下，不可避免会出现汗液，则传统纺织品的冷却性能有待提高。为了避免皮肤变得更湿，最先进的纺织品往往侧重于排汗。由天然纤维制成的纺织品，如棉，显示出很强的吸水能力，可以帮助迅速减轻湿润感。尽管合成纤维吸湿能力有所下降，但合成纤维具有比天然纤维更强的水分输送能力，将水分输送到纺织品表面以更快地蒸发。此外，还提出了包括表面亲水性/疏水性改性、具有不同润湿性的多层设计和具有毛细孔梯度的多尺度互连孔的分层设计等策略，以更好地控制定向输水。

然而，如何有效地释放汗液蒸发的冷却能力，用于人体体温调节，并根据人体排汗过程的规律设计纺织品，却没有被考虑到。在体温调节方面，汗液的蒸发是为了带走多余的热量。然而，在传统的纺织品上，由于热传导有限，蒸发的热量不能有效地从皮肤中获取，因此，人体皮肤下面的温度并没有得到有效的降低。另外，即使关于传统纺织品的蒸发率，它也是相对受限的，因为皮肤热量不能有效地传递到蒸发界面以加速蒸发。低效的冷却效果将导致进一步的出汗，同时，缓慢的汗液蒸发，将导致汗液在纺织品中的积累。一旦达到织物的吸收极限，这一过程可能会破坏纺织品的缓冲作用，此时，人体将再次变得潮湿和粘稠。过多的汗水也会造成潜在的脱水、电解质紊乱、身体和精神退化甚至死亡的风险。此外，当人们处于高度活跃的情况下，所能达到的最大汗液蒸发冷却能力实际上限制了人体的最大活动水平。因此，除了良好的排汗性能外，最适合排汗的纺织品还应具有高的蒸发能力，更重要的是高汗液蒸发冷却效率，以高效的方式利用汗液，用最小的汗液量提供足够的冷却效果。

【成果简介】

近日，在斯坦福大学崔屹教授团队等人带领下，提出了一种具有独特功能结构设计的集成冷却（i-Cool）纺织品，用于个人排汗管理。将导热通道和水传输通道巧妙地结合在一起，i-Cool不仅具有液体排汗功能，还具有增强的蒸发能力和高汗液蒸发冷却效率。在稳态蒸发试验中，与棉花相比，每单位汗液蒸发可使含水率降低100%以上，皮肤功率密度增加3倍以上。此外，在人工出汗的皮肤测试中，i-Cool显示出约3℃的冷却效果，并且比棉花大大减少了汗水消耗。i-Cool设计原理在商业面料上的实际应用可行性得到了很好的验证。由于其卓越的个人排汗管理性能，团队期望i-Cool概念可以为下一代排汗管理纺织品提供有前景的设计指南。该成果以题为“Integrated cooling (i-Cool) textile of heat conduction and sweat transportation for personal perspiration management”发表在了Nat. Commun.上。

【图文导读】

图1 集成冷却（i-Cool）纺织品的功能结构设计及其工作机制示意图

a, i-Cool纺织品的示意图。

b, i-Cool纺织品的工作机制示意图。

c，传统纺织品与i-Cool纺织品的比较。

图2 i-Cool (Cu) 纺织品的芯吸性能、耐热性和瞬态液滴蒸发测试

a，制备好的i-Cool (Cu)纺织品的照片。比例尺：1 cm。

b，导热基体孔隙中的尼龙6nm纤维（蓝色虚线框）和导热基体骨架顶部的纳米纤维（红色虚线框）的SEM图像。比例尺：1 µm。

c, i-Cool (Cu)、棉花和其他商业纺织品的吸汗率。

d，用切断条法测量i-Cool (Cu)、棉花和其他商业纺织品的热阻。

e，瞬态液滴蒸发测试的示意图。

f、i-Cool (Cu)纺织品与常规纺织品的平均皮肤温度和平均蒸发率（初始水量：0.1 mL，皮肤加热器功率密度：422.5 W/m²）。

g，不同皮肤温度下，i-Cool (Cu)和棉花的拟合平均蒸发速率与初始水量的关系。

图3 i-Cool (Cu) 纺织品、棉花和 Dri-FIT 的稳态蒸发测试

a，测量装置和方法示意图。

b，不同蒸发率（v）下测量的水质量增加率（W）。

c，通过(b)拟合得到的dW/dv。i-Cool (Cu)可以在获得一定蒸发速率的同时获得较低的吸水率。较大蒸发速率所需的水分增加也减少了。

d，在不同蒸发速率(v)下测量的功率密度(q)。

e，通过拟合（d）中的数据得到dq/dv。i-Cool（Cu）显示出增强的冷却效果，具有更高的汗液蒸发冷却效率。

图4 带有反馈控制回路和测量的人工出汗皮肤平台

a，人体温度自我调节机制的示意图。

b，模拟人体温度自我调节机制的反馈控制回路的人工出汗皮肤平台示意图。

c，人工排汗皮肤详细结构示意图。红色虚线框中的示意图显示了改良janus型排汗层的工作机制，实现了模拟人类皮肤排汗场景的均匀排汗。

d, 裸体皮肤、i-Cool (Cu)和商业纺织品（皮肤功率密度：750 W/m²，环境温度：22 ℃）的皮肤温度和出汗率测量结果。插图显示了i-Cool (Cu)和棉布在测试期间稳定一小时后的照片。

e, 裸体皮肤、i-Cool (Cu)和其他传统纺织品在不同皮肤功率密度下的皮肤温度和出汗率的测量结果。

f，在高环境温度（40℃）下测量的皮肤温度和出汗率。

g，在高相对湿度环境（~80%）下测量的皮肤温度和出汗率。

图5 i-Cool (Ag)纺织品的i-Cool功能结构的实际应用可行性

a，基于市售织物的 i-Cool (Ag) 纺织品的制造过程示意图。

b, 以Dri-FIT为基材的i-Cool (Ag)纺织品的制造过程照片。

c，SEM 图像显示织物基材的 PET 纤维上均匀且保形的 Ag 涂层。比例尺：50 µm。 插图显示了 i-Cool (Ag) 从底部观察的照片。 比例尺：4 mm。

d, i-Cool (Ag)和其他纺织品在稳态蒸发测试中不同蒸发率下的测量水质量增加率。

e，在稳态蒸发测试中，i-Cool (Ag)和其他纺织品在不同蒸发率下测量的功率密度。

f，通过反馈控制回路在人工排汗皮肤平台上测量i-Cool (Ag)纺织品的皮肤温度和排汗率。

【小结】

综上所述，该团队报告了一种具有独特功能结构设计的新颖概念的i-Cool纺织品，用于个人汗液管理。创新性地采用了集成水传输和导热功能部件，不仅保证了其排汗能力，而且通过高效利用汗液，实现了快速的蒸发速度，增强了蒸发冷却效果，减少了人体的脱水，这一点通过瞬态和稳态蒸发试验得到了证明。实现了一种模拟人体出汗情况的反馈控制回路的人工出汗皮肤平台，在这个平台上，i-Cool（Cu）纺织品显示出与裸露皮肤相当的性能，与传统纺织品相比，提供的汗水更少，具有明显的冷却效果。同时，在各种运动和环境条件下，其结构优势得以保持。此外，i-Cool设计原则的实际应用可行性得到了证明，表现出良好的性能。因此，团队预计i-Cool纺织品将为个人排汗管理的纺织品提供新的见解。

文献链接：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）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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