可持续双向调温织物：通过层级结构工程实现服装微气候的智能调控

本研究针对传统纺织品在环境温度突变时无法快速调节体表微气候的难题，开发了一种具有双向温度调节功能(Bi-DTF)的智能织物。研究人员通过分子动力学模拟指导的层级结构工程策略，构建了氢键网络增强的聚氨酯(PU)基复合纤维膜，集成了相变纳米胶囊(PCN)和氮化硼纳米片(BN)，实现了4.1kJ m-2的高能量存储密度和0.187-1.024 W m-1 K-1的导热性能。该织物在50次洗涤和500次摩擦后仍保持稳定性能，能有效消除环境切换时的冷热刺激(最大温差仅2.3-2.6°C)，为医疗保健、户外运动等领域提供了创新解决方案。

　　

在炎炎夏日从空调房走到户外时，皮肤瞬间感受到的热浪冲击；或是冬日从暖气房步入寒风时，突如其来的冷颤——这些日常体验背后，反映的是传统纺织品在环境温度突变时调节能力的不足。服装作为人体与外界环境间的关键屏障，其微气候调节能力直接影响着穿戴舒适度。理想状态下，人体与服装间应维持32±1°C、50±10%相对湿度的舒适微环境，但现有纺织品往往无法应对温度骤变，导致热应激或冷应激反应，甚至可能引发健康风险。

针对这一挑战，东华大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。通过创新的层级结构工程策略，他们成功开发出具有双向温度调节功能的智能织物(Bi-DTF)，实现了服装微气候的精准调控。这项研究融合了分子动力学(MD)模拟指导的材料设计与先进的电纺丝技术，为解决传统相变纺织品机械性能差、耐久性不足等瓶颈问题提供了新思路。

研究人员采用多技术联用的方法开展研究：通过分子动力学模拟优化聚氨酯(PU)分子链排列；利用电纺丝技术将相变纳米胶囊(PCN)和氮化硼(BN)纳米片分别集成到纤维中；采用差示扫描量热法(DSC)测定相变性能；通过激光闪射法测量热导率；并建立人体-服装-环境三者的热湿传递模型评估实际应用效果。

设计与加工

研究团队设计了包含氢键网络和物理交联点的双重交联结构。分子动力学模拟显示，乙醇(EtOH)的添加能减少PU分子链聚集，使自由体积增加86.8%，有利于功能纳米粒子的分散。通过调控PU/DMF/EtOH三元体系的相分离行为，成功制备出PCN负载量达60wt%的相变膜(PC-M)和BN负载量50wt%的导热膜(TC-M)，最终组装成PC-M:TC-M厚度比为2:1的Janus结构Bi-DTF。

合成与热性能

FTIR分析证实PU弹性体中氢键结合含量高达78.1%，小角X射线散射(SAXS)显示硬段相平均间距仅10.8nm。这种密集的氢键网络使材料具有367.4J cm^-3的凝聚能密度(CED)。PC-M表现出优异的相变性能，熔融/结晶焓分别为66.3和64.2J g^-1，经100次循环后性能稳定；TC-M的面内热导率达1.024 W m^-1 K^-1，为快速热响应奠定基础。

机械与耐久性能

PU基体展现出惊人的648.1 MJ m^-3韧性和2309.4%断裂伸长率。Bi-DTF具有12.7MPa的强度和优异弹性回复率，剥离能达20J m^-2。经过500次摩擦或50次标准洗涤后，性能保持率达95%以上，且色差ΔE*ab<3，满足实际应用要求。

动态舒适性能

Bi-DTF的水蒸气透过率(WVTR)与商业Coolmax相当，单向输水指数达1338.6%。在模拟环境切换实验中，Bi-DTF能将高温环境下的微气候温度升高延迟94秒，低温环境下降温延迟124秒，最大温差仅2.3-2.6°C，显著优于商业纺织品。

这项研究通过层级结构工程策略，成功解决了相变纺织品强度低、耐久性差、热湿调节不协同等关键问题。Bi-DTF的创新性体现在三个方面：分子水平上通过EtOH调控链运动减少聚集；微观结构上构建动态应力耗散网络；宏观性能上实现热湿管理的协同优化。其4.1kJ m^-2的能量存储密度和经50次洗涤后仍稳定的性能，使该技术在医疗防护、运动装备等领域具有广阔应用前景。特别值得注意的是，这种材料设计理念为开发其他高性能智能纺织品提供了新范式，将推动个性化热管理技术的发展。