現在有一種「穿在身上的空調」，其實就是一種特殊的衣物材料。這種材料就是排汗冷卻材料，它以人體的汗液作為動力或刺激源。通過特殊的織物結構或特殊的材料，實現快速吸汗、快速排汗和高透氣能力。快速吸汗特性避免了汗液在皮膚上的堆積；快速排汗性能避免了汗液在材料內的飽和，保持材料穩定的吸汗能力，排出汗液的同時帶走人體的熱量；高透氣能力降低皮膚表面的溫度和溼度，實現皮膚的乾爽。
因此，今天我們就來了解總結一下結排汗冷卻材料的原理、製作方法和商業化應用的現狀，並給出一些研究方向建議。
1、可攜式製冷的需求
2、長工作時間製冷衣的要求
需要實現長時間的熱量調節的可穿戴式的冷卻設備，應當不依賴於外部攜帶的能源或材料；而直接利用人體本身穿著的衣物來實現冷熱調節，則是實現此目標的發展方向。
3、電驅動製冷衣
4、排汗冷卻製冷衣的提出
排汗冷卻材料以人體的汗液作為動力或刺激源，通過特殊的織物結構或特殊的材料，改進以下三個方面的功能及相應的材料：
1）快速吸汗
2）快速排汗
3）高透氣能力。
吸溼速乾冷卻材料具有快速吸汗和快速排汗的能力，包括異形吸溼快幹纖維和表面張力驅動微流體排汗材料。
（1）第一種利用纖維的毛細作用力實現快速吸汗，利用增加汗液和空氣的接觸面積加快蒸發速率實現快速排汗；
（2）第二種利用織物的親水 特性實現快速吸汗，利用表面張力收集汗液形成大液滴再利用重力脫離實現快速排汗。
1、材料1-吸溼快幹纖維
結構：大多數的吸溼快幹纖維中間呈中空多孔結構，表面有貫穿式的溝槽設計。
對汗液產生毛細作用力實現汗液的快速吸收，將局部的汗液快速導流、擴散到整個衣物上，以增加汗液-空氣接觸面積。
異形截面的高比表面積，進一步增加了汗液和空氣的接觸面積，有利於快速排汗。
材料2-表面張力驅動微流體排汗材料
表面張力驅動微流體排汗材料，是利用表面張力聚集汗液，形成易於脫落的大液滴，從而實現快速排汗。
在結構實現上，表面張力驅動微流體排汗材料 使用超疏水布料作為基底，分別在內、外側構建超親水圖案。
在功能實現上，表面張力驅動微流體排汗材料通過入口處的超親水圖案實現汗液的快速吸收。汗液被超親水圖案吸收後，穿過入口到達布料的外側匯聚成小液滴，並產生表面張力。在入口親水圖案上，水分聚集產生的表面張力持續推動水分流向出口。出口親水圖案上水分匯集並產生逐漸增大的表面張力。
下圖展示了一個表面張力驅動微流體排汗材料的實例。其使用的超親水紗線的親水性能良好，接觸角接近 0°；超疏水紡織品的疏水性能良好，接觸角高達 140°。在超疏水材料上用超親水紗線構建親水圖案能夠有效約束液體，形成表面張力驅動微流體排汗。表面張力驅動微流體排汗材料有兩大類優點。
第一，保持人體皮膚乾燥的能力較強。該材料可以將皮膚上的汗液快速排出衣服外，避免汗液在皮膚上的聚集，保持了皮膚的乾爽；與皮膚接觸的布料內側主要呈現超疏水性，不會吸附汗液堵塞織物間的空隙，保持了乾燥的觸感和良好的通風性。
第二， 在高溼度環境下仍能保持良好的性能。在高溼度環境中，非快乾麵料和使用吸溼快幹纖維製作的速乾麵料外表面的水分蒸發速率降低，造成面料內吸收並排掉汗液的能力下降；而表面張力驅動微流體排汗材料，通過表面張力收集汗液並通過重力排出，基本不受環境溼度影響，因而在高溼度環境下仍能 正常工作。
表面張力驅動微流體排汗材料的不足，主要體現在收集汗液的能力較弱。原因在於其僅有入口可以吸收汗液，而入口的覆蓋區域有限，不能在整個織物內表面收集汗液。針對表面張力驅動微流體排汗材料收集汗液能 力較弱的問題，一種可行的解決的思路是，增加入口面積佔整個內表面的比例，從而儘可能覆蓋整個織物內表面。入口面積佔比的增加，可以通過增加入口數量來實現。
人體在運動時通過汗液蒸發降低體溫，造成衣物和皮膚間的空氣溫度溼度增加。高溫高溼的空氣會降低甚至停止水分蒸發，造成悶熱感。溼敏形變冷卻材料能夠加強熱量和溼氣的排放，提高人體的舒適性。
1、水驅動形狀記憶聚合物材料
形狀記憶聚合物（SMP）具有在受到外部刺激 時能夠快速響應並產生形狀變化的能力。一般來說，SMP 的形狀恢復是由外部加熱引發的。如果加熱過程無法進行，則需要考慮應用其他刺激方式。近年來，通過將溶劑分子擴散到聚合物網絡中的方法，已經被證明是可行的替代方法。被吸收的溶劑分子可以降低 SMP 的轉變溫度，起類似增塑劑的作用。典型的工作過程如下圖所示。
水驅動形狀記憶聚合物材料可以使用聚乙烯醇/氧化石墨烯（PVA/GO）複合材料製作。在PVA/GO 複合材料中，PVA 聚合物鏈中的親水基團遇水後和水分子形成新的氫鍵，減弱了原本聚合物鏈間的氫鍵強度，造成 PVA/GO 複合材料的轉變溫度下降。
2、吸溼膨脹多層複合材料
吸溼膨脹多層複合材料在高溼度環境下發生形變，使用這種材料製作的衣物可以利用形變打開通風窗或減少織物厚度。吸溼膨脹多層複合材料由不同吸溼膨脹率的多層材料複合而成。下圖所示的吸溼膨脹雙層複合材料中，藍色的一層是吸溼不膨脹或膨脹率低的薄膜，而紅色的一層是高吸溼膨脹 率的薄膜；在加溼環境中，紅色薄膜膨脹能力高於藍色薄膜，造成雙層複合材料向藍色薄膜方向彎曲。
吸溼膨脹多層複合材料可以通過多種材料製作而成。下面舉例介紹三種材料，分別是氧化石墨烯/還原氧化石墨烯雙層薄膜、基於細胞收縮膨脹原理的吸溼形變材料和親水布料/疏水布料組合材料。氧化石墨烯/還原氧化石墨烯雙層薄膜的製作和工作原理如下圖所示。氧化石墨烯材料能夠通過和水分子產生氫鍵吸收較多的水分；而還原氧化石墨烯僅能通過範德華力吸收少量水分。因此，在高溼環境下，氧化石墨烯/還原氧化石墨烯雙層薄膜 會朝向還原氧化石墨烯層方向彎曲。此外可以通過將氧化石墨烯製成小薄片形狀進一步優化其形變能力。
基於細胞收縮膨脹原理的吸溼形變材料的結構如下圖所示。其工作原理是基於細胞在乾燥環境下脫水收縮，在溼潤環境下吸水膨脹的特性。其加工過程是利用細胞列印技術，將大腸桿菌細胞呈平行線形狀均勻列印在黑色乳膠膜上。該薄膜被放置在乾燥環境中（相對溼度15%），細胞脫水並導致形變材料彎曲；在溼潤環境中（相對溼度 95%），細胞膨脹，形變材料恢復水平。
下圖所示的吸溼膨脹多層複合材料由親水布料/ 疏水布料組合而成。藍色疏水布料被製作成不同形狀結合在白色棉質親水布料上。當親水布料/疏水布料吸溼後，棉布吸溼性能好，而疏水布料不吸水， 導致布料向疏水布料方向彎曲。吸溼膨脹多層複合材料的優點，體現在製作工藝簡單、還原性能好和製作材料多樣性。
3、溼度梯度響應聚合物材料
溼度梯度響應聚合物材料的形變，可由皮膚表面的汗液蒸發所引起的溼度梯度來驅動。溼度梯度響應聚合物在汗液消失後恢復原狀。
溼度梯度響應聚合物材料需要材料兩側產生足夠的膨脹差異，以使材料產生足夠的形變。由於汗液蒸發產生的溼度梯度大小有限，要產生足夠的形變，必然要求材料本身具有較大的溼度膨脹係數。擁有較大溼度膨脹係數的聚合物材料，一般由兩種聚合物鏈組合構成，依靠鏈間反應產生形變。鏈間反應包括：同種聚合物的長鏈在水分子作用下化學鍵斷裂形成大量短鏈，不同聚合物鏈之間氫鍵斷裂。由於聚合物鏈和水分子的化學反應都是可逆反應， 溼度梯度響應聚合物能夠在祛溼後恢復原形。
上圖展示了溼度梯度響應聚合物材料的形變 過程。在初始狀態下，水蒸氣從下方靠近皮膚處蒸 發而出，形成一個下方溼度高上方溼度低的溼度梯度環境，如上圖（a）所示。在吸溼過程，聚合物 下方一側吸溼量更多，膨脹更加劇烈；聚合物上方一側吸溼量少，膨脹較小，如上圖（b）所示。在 穩定彎曲狀態，材料向膨脹較小的一側彎曲，也就是向遠離皮膚的方向，如上圖（c）所示。
全氟磺酸聚合物材料已被用於製作溼度梯度 響應聚合物材料。其由疏水性的聚四氟乙烯骨架和親水性的全氟醚磺酸側鏈所構成。在高溼度環境中，全氟磺酸可以快速和水交換氫離子並形成大量的水傳輸通道，從而導致微觀態的疏水骨架和親水側鏈的分離，形成劇烈膨脹。PEE-PPy 材料也被用來製作溼度梯度響應聚合物材料。PEE-PPy 聚合物材料微觀結構上包括聚吡咯 PEE 骨架和多元醇酯 PPy 動態網絡。遇水情況下，PEE長鏈斷裂成短鏈，PPy 和 PEE 之間的氫鍵斷裂，形成劇烈膨脹，最高可以產生 27 MPa 的壓 強，或舉起超過 380 倍本身質量的物體。類似的溼度梯度響應聚合物材料還有氧化石墨烯、PACD@AG等。溼度梯度響應聚合物材料的優點包括對於溼度的響應速度極快，且形變的力量較強，能夠舉起數倍至上百倍本身質量的物體。溼度梯度響應聚合物材料的缺點包括不能在均勻的高溼度環境中形變和製作成本較高。
排汗冷卻材料種類較多，各個類別間技術成熟度差別較大。下面按照市場化程度從高到低，對這些產品的應用情況進行介紹。
在已有的排汗冷卻材料中，吸溼快幹纖維是商業化應用最為成功的材料。老牌吸溼快幹纖維品牌Coolmax 與耐克、阿迪達斯、彪馬、新百倫等運動品牌合作，開發了一系列的運動產品並在市場上銷售。
新晉冷卻面料品牌 COOLCORE 推出了一系列產品，如男女服飾、運動毛巾和運動護具等，並與迪士尼、Dr. Cool 等品牌展開合作。
大型運動品牌企業也在積極發展自己的快速吸汗排汗技術，如耐 克公司推出的 DRI-FIT快乾麵料，阿迪達斯推出的 ClimaChill 系列快乾麵料，哥倫比亞公司的 Omni Wick 技術等。基於形狀記憶聚合物材料製作的冷卻面料曾在市場上銷售，但在商業上的成果則不如吸溼快幹 纖維。耐克在2007年推出過基於形狀記憶技術的Sphere React Shirt 智能襯衫，其上布置的直徑約 10 mm 的通風口可以打開並允許汗水和熱量逸 出；但該產品現已退市。表面張力驅動微流體排汗材料還處在由創業 公司發布概念性產品的階段，沒有市面上銷售的產品。位於美國加州的 Atacama 創業公司在官網上推 出了概念性速乾冷卻產品[30]。除了上述已經被商業化的技術以外，許多排汗 冷卻技術還處在實驗室發展原型的階段。其中，使 用親水布料/疏水布料組合材料製作的排汗冷卻材料，因為其使用商業材料製作，且製作方法簡單， 後續的商業化前景較好。
關鍵內容概括如下：
（1）排汗冷卻材料主要分為兩類，即吸溼速乾冷卻材料和溼敏形變冷卻材料。
（2）吸溼速乾冷卻材料包括吸溼快幹纖維和表面張力驅動微流體排汗材料。
（3）溼敏形變冷卻材料包括水驅動形狀記憶聚合物材料、吸溼膨脹多層複合材料和溼度梯度響應聚合物材料。
在驅動形式上，水驅動形狀記憶聚合物材料和吸溼膨脹多層複合材料被高溼度的空氣 或水驅動，而溼度梯度響應聚合物材料被溼度差驅動。
在形變能力上，水驅動形狀記憶聚合物材料不能連續形變，方向單一且取決於預設形狀；吸溼膨 脹多層複合材料可以隨著溼度的提高連續變化，方向單一且取決於兩層材料的膨脹率；溼度梯度響應聚合物材料隨溼度梯度大小而變化，方向可以隨著溼度梯度的反轉而反向彎曲。
在形變速率上，溼度梯度響應聚合物材料普遍較快，水驅動形狀記憶聚合物材料和吸溼膨脹多層複合材料相對較慢。表 1 概括了這些特性。
對於未來具有吸溼功能的智能冷卻面料發展， 提出如下的建議與展望。
（1）對於吸溼速乾冷卻材料的研究，可以嘗試將吸溼快幹纖維與表面張力驅動微流體排汗材料相結合，提高表面張力驅動微流體排汗材料的吸溼效率。此外，還可以研究汗液對於表面張力驅動微流體排汗材料性能的影響。
（2）對於溼敏形變冷卻材料的研究，可以嘗試將吸溼速乾冷卻材料和溼敏形變冷卻材料相結合。具體的結合方法包括：使用吸溼速乾冷卻材料製作溼敏形變冷卻材料，或轉化溼敏形變冷卻材料成為 吸溼速乾冷卻材料。
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