在寒冷及极端环境下，人体热舒适度面临着体表温度的快速散失和内部生理调节功能的失衡等挑战。传统的供暖方式（如燃煤、集中供暖和空调）虽能有效提升室内温度，但存在户外适应性差、能耗高等局限性。为此，研究人员正积极开发低能耗乃至零能耗的可穿戴热调节织物，以实现更高效的人体热管理。与此同时，随着5G等新一代通信技术的普及，电磁干扰（EMI）问题日益突出，其潜在的健康风险促使可穿戴热调节织物需兼具电磁屏蔽功能。
近期，郑州大学刘春太教授/冯跃战副教授团队在期刊《Nano Research》上，发表了最新研究成果“A multi-mode thermoregulating fabric with integrated passive/active temperature control capabilities”。该团队采用静电纺丝-静电喷涂工艺，将MXene的“多功能”特性融入到TPU织物中，成功开发出集成被动辐射/隔热保温和主动焦耳/太阳能加热于一体的TPU/MXene（TMF）多模式温度调节织物。织物不仅继承了TPU的柔性和拉伸性，还具有出色的透气性和润湿性，能够满足人体的可穿戴需求。得益于MXene的低红外发射率和电纺膜的多孔结构，TMF展现出优异的被动保温性能，可有效抑制人体热辐射和对流散热。同时，MXene网络不仅赋予织物理想的电导率(1280 S/m），还使其实现高达93%以上的太阳吸收率，实现主动焦耳/太阳能加热功能，能够在寒冷环境中智能地为身体提供温暖。实际测试显示，被动隔热与主动加热的协同作用可使皮肤温度提升8.7~10.9℃，显著优于单独使用被动保温时的4.0℃。此外，MXene导电网络还为织物提供了有效的EMI屏蔽能力，通过堆叠织物，该屏蔽能力可从38 dB调节至105 dB。这一工作凸显了具有可调EMI屏蔽功能的多模式温控织物在未来的可穿戴技术中的巨大潜力。
图1. TMF织物的概念与制备表征
本研究通过静电纺丝TPU和静电喷涂MXene的同时进行，成功利用MXene的“一体化”特性赋予了TPU织物被动隔热保温、主动加热和EMI屏蔽性能。SEM图像显示MXene纳米片经过静电喷涂能够紧密且自适地嵌入到TPU纤维网络中，并随着MXene负载量的增加形成更完善的导电网络。根据EDS和XRD可以证明MXene成功加入到TPU纤维网络中，并且随着MXene含量的增加，TMF的002峰发生位移，表明TPU的极性部分与MXene表面形成氢键，促进了更紧密的层间结合。
图2. TMF织物的可穿戴性能
如图2所示，作为新一代可穿戴织物，TMF不仅具备令人满意的可拉伸性、柔性、透气性和润湿性以满足人体可穿戴的需求，而且还具备EMI屏蔽性能以应对电磁辐射的威胁。
图3. TMF织物的被动保温性能
如图3所示，具有较高中红外发射率的传统聚合物织物能够使人体产生的热辐射通过织物向外界环境发射。相比之下，反射率较高、发射率较低的TMF可以将一部分人体热辐射反射到皮肤上，并将一小部分热辐射发射到外部，从而使人体皮肤与织物之间的微环境温度升高，实现被动辐射保温。此外，由于高多孔结构，静电纺TPU织物的导热系数为0.057 W m-1 K-1。虽然MXene的引入会使导热系数增加，但由于MXene的结构缺陷，在0.1 W m-1 K-1时，织物仍然具有良好的隔热性能。通过热台测试，TMF的隔热效果显著优于纯TPU，且红外相机上的温度始终低于热电偶读数，这也验证了其低红外发射率带来的辐射屏蔽效应。通过模拟皮肤测试，TMF覆盖的模拟皮肤温度为40.1℃，明显高于棉布的37.3℃。
图4. TMF织物的主动加热性能
如图4所示，MXene出色的电导率使TMF成为高效的可穿戴电加热器，能在极端寒冷环境中为人体提供可靠的热保护。随MXene的负载量的增加，TMF在3V低压下的加热温度由27.2 oC增加到102.5℃，并表现出良好的温度可调性和循环稳定性，且在弯曲、扭曲等变形条件下仍能保持均匀发热，具有优异的穿戴适应性。得益于MXene的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，40%TMF的太阳吸收率高达93%，在100 mW/cm2光照条件下可快速升温至60℃以上。并且在冬季实际户外测试表明，TMF可使温度较空腔温度提高17℃。此外，TMF可以通过施加电压和光照实现双驱动，达到更高的加热温度。
图5. TMF织物的人体热防护应用
如图5所示，通过实际人体测试，验证了TMF可适应室内/户外、供电/无电等场景下的人体温度调节性能。
结论
综上所述，该研究介绍了一种通过静电纺丝-静电喷涂工艺制备的多模式热调节TMF织物，成功地将MXene的“多功能”性能融入到织物中。该织物基于MXene的低红外发射率（63.2%）和TPU多孔结构，展现出4 oC的被动温升效果。同时凭借MXene的高导电性和局域表面等离子体共振效应，实现了优异的主动加热性能，可在3 V电压下可快速达到102.5℃的稳态温度，在100 mW cm-2光照射下可达到61℃的加热温度，并具有良好的可调性和循环稳定性。此外，静电纺丝和静电喷涂相结合，成功地将MXene导电网络加载到TPU纤维的每一层上，并结合简单的堆叠，最终实现了105 dB的超高屏蔽值。这种具有良好穿戴舒适性并且集被动保温、主动加热和电磁屏蔽于一体的智能织物，为开发适应复杂环境的新一代可穿戴设备提供了创新解决方案。
原文链接：
https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907680
