近日，我院特种防护纺织品研究所付少海教授团队在Advanced Fiber Materials上在线发表了题为“Skin-Inspired ‘Sweating Fabrics’ with Directional Water Accumulation and Droplet Rolling Behavior for High-Performance Personal Moisture Management”的研究论文。
该研究受人体汗腺启发，成功开发出一种具有图案化不对称结构的“排汗织物”，使每个单独的汗液传输通道都具有物理和化学不对称性（孔径差异和局部渐变润湿性），使织物像皮肤一样通过“汗腺”通道将汗液反重力定向输送至织物外表面并聚集成汗滴，随人体摆动可轻松滑落（滚动角约45°）。该排汗织物的单向导水速率高达12.2 mL·cm-2·min-1，远超人体出汗速度，实现了可持续的汗液管理。为伤口护理，生物流体监测和微流体控制的先进纤维材料的开发提供了有效策略。论文第一作者为朱豆豆博士，伟德bv1946付少海教授为通讯作者。
材料设计与性能验证
图1揭示了DAR织物的设计策略与性能优势：皮肤作为人体的保护屏障，当环境温度超过皮肤温度时，位于真皮层的汗腺被激活，产生的大量汗液被汗腺输送至具有轻微疏水性的皮肤表面，形成汗滴并随身体摆动而滑落。该工作受皮肤排汗过程启发，开发出具有定向导液与液滴滚落（DAR）功能的仿生织物。采用单侧紫外光响应策略，在整体呈疏水性的织物中选择性构建具有渐变润湿性的阵列导水通道，通过构建不对称孔径结构增强输水效率。该设计实现了汗液自下而上的反重力定向水运输，使汗液在织物表面聚集成滴并快速滚落，有效防止盐分残留。相比于传统棉织物及商用Janus织物，DAR织物显著提升了人体的穿着干爽度。
图1 DAR织物的设计与功能。a)人体皮肤在剧烈运动时的出汗过程。b)图案化不对称通道中汗液由皮肤侧运输至DAR织物表面的水运输示意图。c)DAR织物表面的汗滴体积随供汗量增加而增大及其滑落行为展示图。d)DAR织物、商用织物及传统织物的水运输行为对比。
图2显示了材料的制备步骤及其表征：以聚酯（PET）大孔织物为基材，结合聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜构建了具有不对称孔径结构的双层复合织物。为了在织物厚度方向构建梯度润湿性通道，采用图案化掩模对疏水PET/PAN织物进行选择性单侧紫外光辐照聚合。表征结果显示：未改性PET/PAN复合织物呈亲水性，经疏水改性后接触角提升至135.5°～141.0°，经紫外光辐照的图案化区域（Spot-Bottom至Spot-Top）随光强度衰减形成由下至上的渐变润湿性。孔径分析表明，PET基材平均孔径约为275.66μm，PAN纳米纤维层的引入使复合织物平均孔径降至46.67μm，这种显著的孔径差异与渐变润湿性协同作用，为实现高效的反重力定向水运输奠定了结构基础。
图2DAR织物的制备及其基本特性。a)DAR织物的制备示意图。b)DAR织物区域图及PAN NFM、PET和HP-PET/PAN织物的SEM图。比例尺：500 µm。插图是放大的扫描电镜图像。比例尺：50 µm。c)DAR织物不同区域WCA。d)PAN、HP-PAN和UV-PAN织物的FTIR曲线。e)PET基材和f)UV-PET/PAN织物的孔径分布。
定向水运输过程与动力学分析
图3展示了DAR织物优异的反重力定向输水与汗液积聚能力：在供水过程中，施加在导水通道顶部的液滴无法穿透至织物底；反之，施加在导水通道底部的液滴可被快速抽吸至顶部并逐渐聚集成大液滴且无回流现象。在45°斜面模拟试验中，DAR织物展现出卓越的汗液动态管理能力，当顶部液滴汇聚至约50 μL时即可滑落。此外，该研究还进一步揭示了其导水机制：梯度润湿性与孔径差异协同产生“持续拉力”，使纵向毛细力（Flc）始终大于横向扩散力（Ftc），推动液滴持续反重力运输并聚积于顶部；同时，导水通道周围的疏水区域有效限制液滴铺展，促进其滚落。总的来说，该机制为其干燥效率显著高于传统Janus织物依赖水分子蒸发的干燥效率提供了可靠的依据。
图3 DAR织物的定向导水能力。a)当液滴体积为2 μL或供液速率为100 μL·min-1（单通道直径为1.5 mm）时，DAR织物的水运输过程。b)自行设计的角度可控供液装置。c)导水速率随不同掩膜尺寸和紫外光辐照时间的变化规律。d)选择性紫外光辐照处理后实际亲水面积与掩膜尺寸大小的变化规律。e)具有非对称孔隙结构的DAR织物及其水运输通道（仿汗腺）示意图。f)突变润湿性Janus织物与渐变润湿性DAR织物的定向导水机理。
图4通过计算流体动力学（CFD）分析，进一步揭示了DAR织物的反重力定向导水机制：当水滴从顶部施加时，其速度由0.2 m·s-1降至0m·s-1，而穿透底部所需压力从12 Pa升至227 Pa，表明织物具有优异的防渗性。相反，当水滴从底部施加时能快速进行反重力输运。这种不对称的压力与速度分布验证了DAR织物的单向导水功能，确保液滴仅能由底部向顶部传输而不会回流，从理论上阐释了其保持皮肤侧干爽的机理。
图4DAR织物定向导水机理的数值分析。液滴从a)顶部和b)底部接触DAR织物后，图案化导水通道中的水运动模拟图。液滴在稳态下从顶部接触DAR织物后不同y轴位置的c)速度分布图、d)速度分布曲线和e)压力分布曲线。液滴在稳态下从底部接触DAR织物后不同y轴位置的f)速度分布图、g)速度分布曲线和h)压力分布曲线。
舒适性与湿热管理
图5展示了DAR织物的舒适性及湿热管理性能。尽管DAR织物的透气性较原始PET基材降低了23%，但仍保持4190.75 mm·s-1的高透气性。其疏水孔道促进水分子的直接扩散，使水蒸气透过率提升12%。在汗液管理方面，离散分布的图案化通道有效抑制汗液铺展并促进液滴快速转移，汗液传输量显著超过商用吸湿排汗面料。此外，干燥后织物表面电导率接近0 S·m-1，表明盐分残留量极低，远优于商用织物的电导率（151-280 S·m-1）。热舒适性测试显示，DAR织物干燥过程中温度波动仅约2°C，8分钟内即可完全干燥，展现出优异的湿热管理性能。
图5DAR织物的舒适性能。a)PET织物、DAR织物及相关文献的透气性对比。b)PET织物、DAR织物及相关文献的水蒸气透过率对比。c)DAR织物的透湿过程示意图。d)可控连续供水装置示意图。e)从皮肤侧传输至周围环境（棉）中的汗液质量随供汗速率的变化。f)经等量汗液运输-干燥后，DAR织物与商用织物的电导率对比。经等量汗液运输后，干燥过程中DAR织物与商用织物的g)温度随时间变化曲线和h)热红外图。
应用前景广阔
综上所述，该研究受人体汗腺启发，成功开发出一种兼具汗液反重力定向传输功能的“排汗织物”，有效解决了传统面料易吸湿饱和与汗渍残留的难题。该织物凭借其高效的单向导水速率、卓越的热湿舒适性及抗盐分残留特性，为高性能运动服装、医疗敷料与智能可穿戴设备提供了新的解决方案。此项策略有望推动新一代智能纤维材料的开发，拓展功能性纺织品的应用前景。
作者介绍：朱豆豆，伟德bv1946博士研究生。研究方向为功能性纺织材料在水分管理领域的应用。
付少海，伟德bv1946教授、博士生导师，国家级人才，中国纺织工程学会士，全国纺织学术带头人。主要研究方向生态染整技术、功能纤维材料、纺织品生物仿生技术。主持和参加国家、省级项目30余项。成果获省部级科技进步一等奖4项，技术发明一等奖1项，江苏省科技进步二等奖2项。发表学术论文300余篇，授权美国发明专利5件，中国发明专利80余件。入选江苏省6大人才高峰、江苏省333人才二层次和江苏省青蓝工程等高层次人才项目。
