东华大学朱美芳院士、成艳华研究员AM：研发自适应温控织物，极寒环境也能保持干爽温暖

摘要：在寒冷潮湿环境中，传统防护纺织品往往面临严峻挑战：为增强保温性而叠加的多层织物系统通常牺牲了透气性和舒适性，反之则易因湿气积聚导致人体热量流失，增加失温风险。尤其在极地科考、军事行动等极端场景中，汗液积累会显著降低衣物绝缘性能，威胁使用者安全。现有方案（如分层

在寒冷潮湿环境中，传统防护纺织品往往面临严峻挑战：为增强保温性而叠加的多层织物系统通常牺牲了透气性和舒适性，反之则易因湿气积聚导致人体热量流失，增加失温风险。尤其在极地科考、军事行动等极端场景中，汗液积累会显著降低衣物绝缘性能，威胁使用者安全。现有方案（如分层服装系统或胶粘复合功能织物）难以兼顾轻量化、弹性、耐久性与湿热管理能力，亟需突破性技术解决这一矛盾。

东华大学朱美芳院士课题组成艳华研究员、张新海副研究员提出创新性解决方案：通过背纬编织技术与原位发泡工艺结合，开发出具有闭孔结构的双层织物Foam-TEX。该织物在纤维表面形成大量闭孔微球，同时构建梯度孔隙通道，实现0.039 W/(m·K)的超低导热系数（优于羊毛的0.055 W/(m·K)），以及＞4000 g/(m²·24h)的透湿率。其单向导湿指数高达1082%，可在维持体温的同时主动驱散汗液，并耐受-196°C至100°C极端温度与水洗拧绞，为极寒环境工作者提供自适应防护。相关论文以“ Closed-Pore Engineering in Double-Layer Textiles for Adaptive Thermal and Moisture Management ”为题，发表在Advanced Materials上。

图1揭示了Foam-TEX的工业化制造流程。团队首先将聚酯棉纤维浸渍热膨胀微球（TEMs）浆料，经聚二甲基硅氧烷（PDMS）包覆形成预发泡纤维（图1d）。该纤维拉伸强度超300 MPa，适用于织造。随后通过剑杆织机将预发泡纤维与竹纤维交织成双层织物（图1e），再经180°C热处理触发微球膨胀，原位生成闭孔结构（图1f）。微球直径从30μm增至155μm，形成静态空气层阻断热传导。整套工艺可规模化生产0.4米宽幅织物（图1g-i），与现有服装生产线兼容。

图1. Foam-TEX的制备与表征 a) 多层复合织物（含防风防水层、增强层和保温层）； b) 互锁双层织物（含吸湿扩散层和隔热层）； c) Foam-TEX连续生产过程（阶段Ⅰ：用TEMs制备预发泡纤维；阶段Ⅱ：背纬双织工艺；阶段Ⅲ：原位发泡工艺）； d) 原始聚酯棉纤维、TEMs@聚酯棉纤维、PDMS@TEMs@聚酯棉纤维（预发泡纤维）的SEM图像； e) 预发泡织物的SEM图像； f) Foam-TEX的SEM图像； g) 预发泡纤维卷的光学照片（标尺5cm）； h) 预发泡织物在0.4米宽剑杆织机上的织造过程（红线：竹纤维，绿线：预发泡纤维）； i) 0.4米×3.0米Foam-TEX热处理后的光学照片。

图2验证了织物的服役性能。Foam-TEX具备独特的四向拉伸能力（图2a），可承受扭曲、卷折等形变（图2b）。经万次拉伸疲劳测试，滞后效应可忽略（图2c）。闭孔微球在180°C时达到最佳膨胀状态，使导热系数稳定降至0.039 W/(m·K)（图2d-e）。其保温机制通过三重作用实现：闭孔截留气体抑制热传导（λg）、减少纤维间空隙削弱对流（λconv），同时降低固相热传导（λs）（图2f）。

图2. Foam-TEX的服役性与保温性能 a) 不同拉伸角度下纤维结构变化示意图； b) 织物扭曲、折叠与卷曲的光学照片； c) 拉伸-回复疲劳测试的应力-应变曲线； d) 不同发泡温度下Foam-TEX的导热系数； e) 180°C处理前后TEMs的尺寸分布； f) Foam-TEX的隔热机制示意图。

图3展示了实际穿戴效果。穿着Foam-TEX的假人表面温度（33.5°C）显著低于商用Gore-TEX（35.2°C）（图3a-c）。泡沫纤维的微纳结构与PDMS甲基赋予织物超疏水性（图3d），而分级孔隙则保障透气性——水蒸气可穿透织物冷凝（图3e），氨气扩散后能与盐酸形成白雾（图3f）。测试证实其透湿率＞4000 g/(m²·24h)，防风透湿等级达FZ/T 01149-2019标准二级（图3g）。即便经历液氮（-196°C）、沸水（100°C）或机洗，保温性能仍保持稳定（图3h）。

图3. Foam-TEX的穿戴性能测试 a-b) 热假人穿戴Foam-TEX与Gore-TEX的光学照片（a）及红外热像图（b）； c) 两种织物表面实时温度曲线； d) 发泡纤维的超疏水性示意图； e) 水蒸气渗透实验（热水蒸气穿透织物冷凝）； f) 透气性测试（氨气穿透织物与盐酸形成白雾）； g) Foam-TEX与Gore-TEX（透气/湿性）、羊毛（保温性）的性能对比； h) 复杂环境下导热系数与温差（|ΔT|）的稳定性。

图4拓展了多场景应用。单向导湿测试表明：当发泡纤维层朝上时，汗液被快速导向竹纤维层（图4a）；竹纤维层朝上时则阻止水分外渗（图4b）。模拟出汗实验中，Foam-TEX表面无液滴残留，而Gore-TEX出现明显积汗（图4c）。为进一步强化极寒防护，团队引入碳纤维开发Foam-Dual-TEX，在保留单向导湿能力的同时集成焦耳加热功能。仅需3V电压，即便在-20°C环境中织物表面也能维持37°C舒适温度（图4d-e），且循环稳定性优异（图4f）。

图4. Foam-TEX多场景性能 a-b) 水分管理测试仪中汗液滴加后织物外/内侧相对湿度变化（a：发泡纤维层朝上；b：竹纤维层朝上）； c) 模拟出汗后Gore-TEX与Foam-TEX的积汗对比； d) 不同电压下Foam-Dual-TEX的温度-时间曲线； e) -20°C环境中Foam-Dual-TEX的升温性能（3V输入）； f) Foam-Dual-TEX的循环稳定性（2V输入）。

未来展望

这项研究通过“纤维到织物”的闭孔工程策略，将梯度湿通道与闭孔保温单元空间耦合，解决了极端环境下的湿热管理矛盾。Foam-TEX的工业化量产潜力为户外装备、军事防护等领域提供革新性平台。团队正进一步探索该技术在智能可穿戴领域的延伸应用，推动下一代自适应纺织品应对更严苛环境挑战。