全球高温天气频发使个人热管理需求日益迫切，被动辐射冷却纺织品因其零能耗优势受到广泛关注。然而单一冷却模式往往因汗液滞留和湿热积聚导致性能受限。为克服单一辐射冷却的局限，研究者开始探索复合冷却策略，但现有被动辐射冷却（PRC）织物仍存在三大关键问题：

偏重光学设计，忽略水分协同管理，高湿多汗时导湿与蒸发冷却不足；

多为被动冷却，缺乏汗液成分 / 量监测，难以追踪生理状态；

多模式冷却机制集成度不足，各机制独立工作而非协同，动态热湿通量下性能不稳定。

针对上述难题，江南大学刘天西教授&黄云鹏副教授团队提出一种辐射‑蒸发协同冷却与汗液传感织物（RECS 织物），将高效热调节与高保真汗液监测融为一体，用于人体热湿管理。该织物由两层不对称功能化双层结构组成，即经二氧化硅（SiO₂）与六钛酸钾（K₂Ti₆O₁₃）改性的双面异质非织造布，并印刷柔性液态金属电极，共同构成具有不对称孔隙率与润湿性的 Janus 结构。

该设计可实现汗液沿织物厚度方向单向传输，同时维持蒸发冷却、通过协同米氏散射、太阳光反射与中红外发射提升辐射光谱选择性，并将汗液持续输送至传感电极而不发生积聚或稀释。在湿热环境下，辐射‑蒸发协同机制可实现19.9℃的冷却效果（其中蒸发冷却贡献 12.0℃）；该织物可实时监测汗液量，检测范围为 20–120 微升，灵敏度达 - 14.6 Ω・μL⁻¹，在长时间出汗状态下仍保持稳定性能。本研究为集成自适应热管理与生理传感的下一代智能织物提供了极具前景的设计范式。相关研究内容以“Synergistic Radiative‐Evaporative Cooling and High‐Fidelity Sweat Sensing via Liquid Metal‐Integrated Janus Textiles”为题目，发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

图 1 RECS 织物辐射‑蒸发协同冷却与汗液传感工作示意图。

RECS织物的设计与制备

其由外层SiO2/SEBS与内层K2Ti6O13/SEBS结合构成非对称双层结构，并在SiO2/SEBS表面集成液态金属叉指电极。织物通过Mie散射、太阳光反射与中红外发射的协同作用实现高性能辐射冷却。同时基于非对称孔隙结构与Janus润湿性，还可借助汗液的单向输运与界面蒸发实现蒸发散热。此外，Janus织物可将汗液连续输送至外层液态金属传感电极，从而保证汗液监测的实时性与稳定性。

图 2a) 制备流程示意图；b) RECS 织物实物照片；c)–e) RECS 织物截面 SEM 图、K₂Ti₆O₁₃/SEBS 与 SiO₂/SEBS 微纤维表面形貌、两种纤维截面形貌；f) K₂Ti₆O₁₃/SEBS 与 SiO₂/SEBS 微纤维的孔径分布；g) RECS 织物在 0.3–15 µm 波段的反射率与发射率光谱；h) RECS 织物在拉伸、扭转及 500 g 负重下的实物照片。

首先通过连续静电纺丝构筑K2Ti6O13/SEBS-SiO2/SEBS双层Janus非织造基底，随后采用模板印刷将液态金属叉指电极集成于织物表面。图2c-e展示了Janus织物基底在纤维尺寸与孔隙特征上存在明显差异，从而形成非对称孔隙分布。光谱测试进一步表明，该织物在太阳光波段具有较高反射率，在大气窗口区具有优异中红外发射能力。与此同时，样品在拉伸、扭曲及高负载条件下仍保持了良好的结构完整性与电极稳定性。如图 2g 所示该 Janus 织物在 0.3–2.5 μm 太阳波段的平均反射率为 87.9%，在 8–13 μm 大气窗口波段的中红外发射率为 91.3%。织物的力学稳定性对保证长期使用性能至关重要。如图 2h 所示，RECS 织物在拉伸、扭转与 500 g 负重下均能保持结构完整与电极稳定，在剧烈形变下表现出优异的鲁棒性。

图3. a) 截面视角下液体单向传输的示意图；b) 截面视角下液体单向传输的实物照片；c) 俯视视角下液体传输的实物照片；d) 蒸发速率测试装置示意图；e) K₂Ti₆O₁₃/SEBS–SiO₂/SEBS 双面异质织物与商用织物的蒸发速率对比；f) RECS 织物在人体皮肤上的实际汗液传输应用照片；g) 不同汗液量下 RECS 织物的阻抗随频率变化曲线；h) 10 Hz 频率下阻抗与汗液量的拟合关系；i) 汗液传感测试中 RECS 织物的动态响应与恢复特性；j) 不同汗液量重复加载下的循环阻抗响应；k) 采用电化学工作站进行实时汗液传感的实验装置照片；l) 汗液传感过程中不同时刻的时间分辨阻抗响应及对应光学照片。

单向水分传输与汗液检测性能

为实现人体皮肤表面更高效的水分传输，不对称孔结构与Janus 润湿性均起到关键作用（图 3a）。图3b显示，液体可由K2Ti6O13/SEBS一侧向SiO2/SEBS一侧定向迁移，实现汗液从皮肤表面向外界的持续排出。基于该输运过程，液态金属叉指电极能够对汗液量变化产生稳定阻抗响应。在20-120 μL范围内，RECS织物表现出良好的定量检测能力，体积灵敏度达到-14.6 Ω μL-1，响应时间为13 s。图3j进一步表明，RECS织物在持续供液条件下仍具备良好的响应可逆性与传感稳定性。

辐射‑蒸发协同冷却性能

本研究采用自制装置模拟高强度运动环境（30 ℃，60% 相对湿度）进行测试。如图 4a 所示，将 RECS 织物紧密贴合在 2.0 mm 厚的铜板上，铜板背部由热台均匀加热，提供恒定热流（功率密度 0.5 W cm⁻²）。图4b表明，RECS织物可通过单向汗液输运与界面蒸发实现显著温降。辐射冷却箱体测试（图4f）结果显示，织物在全天测试过程中始终保持最低表面温度。在正午强辐照时段，其相对环境温度的冷却效果可达19.8 °C，显著优于棉织物、纯SEBS及单层K2Ti6O13/SEBS对照样品，体现出双层织物结构在光谱调控方面的协同优势。

图 5a) 辐射‑蒸发协同冷却测试中 RECS 织物的连续温度监测（与其他织物样品对比）；插图为蒸发冷却用模拟汗液供给示意图；b) 不同织物样品相对于环境的冷却温差；c) 采用 RECS 织物与棉织物进行实际冷却测试的示意图及红外热成像图；d) 将该织物应用于不同气候带 21 个代表性城市的墙体与屋顶时，单位面积年冷却节能量模拟；e) RECS 织物在中国的节能应用分布；f) 年节电量估算及对应的人均与全球 CO₂减排量。

RECS织物在保持辐射冷却的同时，能够借助汗液的定向传输与蒸发耗散实现持续蒸发冷却。图5a表明，太阳辐照下织物在湿态时可实现辐射-蒸发协同冷却，其相对环境温度的平均冷却效果高达19.9 °C，较干态时额外降低约12.0 °C。进一步的户外实际降温测试证实，RECS 织物可有效降低体表温度（图5c）。最后， EnergyPlus模拟结果表明RECS织物在城市环境中的冷却效果与节能潜力巨大（图5d），显示其在建筑降温与碳减排方面的应用前景。

结论

该研究开发了一种辐射‑蒸发冷却与汗液传感一体化织物，在单一 Janus 结构中同时实现了高效热调节与优异的汗液监测功能。该织物由两层经SiO₂与K₂Ti₆O₁₃复合改性的不对称功能化非织造布双层构成，并结合印刷制备的柔性液态金属电极，形成了具有不对称孔结构与润湿性的 Janus 架构。

得益于辐射与蒸发的协同冷却效应，RECS 织物在 8–13 μm 大气窗口内表现出87.9% 的高平均太阳反射率与91.3% 的中红外发射率，在湿热环境下实现了高达19.9 ℃的冷却效果，其中蒸发冷却贡献达12.0 ℃。同时，集成的液态金属电极可稳定监测汗液体积，灵敏度为-14.6 Ω・μL⁻¹，响应时间仅13 s，且在长时间出汗状态下仍保持可靠性能。

原文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.75085