基于菖蒲叶仿生的三层结构纺织品：自清洁与辐射冷却功能在先进个人防护装备中的集成创新

《Industrial Crops and Products》：Calamus-leaf-inspired structural engineering, self-cleaning, and radiative cooling of trilayer textiles for advanced PPE

本研究针对传统户外个人防护装备(O-PPE)防水-透气性失衡、热调控不足及不可降解等问题，受菖蒲叶多层结构启发，通过可规模化制备工艺开发出聚乳酸/纤维素/聚乳酸(PLA/CEL/PLA)三层复合纺织品。该材料具有74.28%的结构相似度，通过调控SiO2质量比实现97.8%红外发射率与86.8%反射率，兼具35.2°低滑动角的自清洁性能、1923.91 g/m2*24 h水蒸气透过率及169 N拉伸强度，经4000次磨损后质量损失仅1.09%，为高性能可降解O-PPE提供创新解决方案。

　　

在户外作业环境日益复杂的背景下，个人防护装备（PPE）的性能短板逐渐凸显。传统涂层织物难以平衡防水性与透气性的矛盾，热调节功能缺失导致长时间穿着闷热不适，且不可降解特性引发严重的环境负担。这些问题直接制约着户外工作者（如医护人员、建筑工人）的作业效率与健康安全，开发多功能集成的高性能防护材料成为当务之急。自然界中菖蒲叶独特的平行叶脉结构与多层解剖特征，为设计新型防护纺织品提供了灵感源泉。发表于《Industrial Crops and Products》的这项研究，通过仿生学理念成功构建出兼具自清洁、辐射冷却与机械强韧特性的三层复合纺织品。

研究团队采用四种关键技术方法：首先通过原位牵伸熔喷工艺制备具有定向粗糙结构的PLA@SiO₂微纤维网；其次采用梳理-水刺工艺构建高孔隙率纤维素纤维网作为中间骨架层；进而利用图案化热粘合技术将三层结构进行物理结合；最后通过喷涂含氟疏水剂实现表面能调控。实验样本来源于工业化生产的标准材料，包括PLA颗粒（中国河南驼人医疗）、纤维素纤维（唐山三友集团）及不同粒径的SiO₂颗粒（济南质鼎公司）。

结构表征结果显示（3.1章节），制备的纺织品与菖蒲叶结构相似度达74.28%。扫描电镜显示其具有明确的表皮-骨架-表皮三层结构，SiO₂质量比从1wt%增至3wt%时，纤维有序分布提升13.28%，孔隙率增加8.7%。傅里叶变换红外光谱在757 cm^-1、1080 cm^-1等波段出现特征吸收峰，证实材料具备红外透明窗口特性。

防水自清洁性能方面（3.2章节），材料对茶、咖啡、牛奶等液体的接触角达130.3°-138.8°，疏水角在机器方向（MD）和交叉方向（CD）分别达到126.5°和131.7%。滑动角测试表明液滴沿MD方向滑动更顺畅（35.2° vs CD方向55.5°），接触角滞后（CAH）值降低36.43%。污泥与合成血液污染模拟实验证实其具有高效自清洁能力。

透气舒适性研究（3.3章节）显示，当SiO₂质量比增至3wt%时，透气性提升51.31%至19.61 mm/s，水蒸气透过率达1923.91 g/m²*24 h。热粘合压力从0.2MPa增至0.4MPa会导致透气性下降71.04%，但通过参数调控可实现防水-透气平衡。

辐射冷却性能（3.4章节）在自制测试装置中验证，与环境温差最高达6.6°C。在2025年8月31日的实地测试中（环境温度30°C），样品表面温升仅1.6°C，显著低于棉质服装的3.1°C。人体穿着试验（2026年1月15日，14°C环境）进一步证实其温度调节稳定性。

机械性能与耐久性（3.5章节）方面，热粘合压力0.4MPa时拉伸强度达169N（MD方向），爆破强度提升24.06%至101N。经4000次磨损循环后，质量损失率仅1.09%，显著优于纯PP熔喷布（37.39%）和单层材料。

该研究成功构建了具有菖蒲叶仿生结构的可降解复合纺织品，通过多工艺协同实现了表面粗糙度、光学性能与机械强度的同步优化。其创新性体现在三个方面：一是将辐射冷却功能（通过SiO₂掺杂实现）与自清洁性能集成于单一材料；二是通过纤维素骨架层有效克服PLA材料的脆性问题；三是采用可规模化生产工艺（熔喷-水刺-热粘合）保障实际应用可行性。这种兼具环境兼容性与多功能特性的材料体系，为新一代智能防护装备的开发提供了新的技术路径，特别是在医疗防护、户外作业等需要长期穿戴的场景中展现出广阔应用前景。