综述：用于个人热管理的智能纺织品进展

本文综述了智能纺织品在个人热管理（PTM）领域的进展，涵盖原理、类型及面临挑战。

　　

用于个人热管理的智能纺织品进展

热舒适对人类健康和福祉至关重要，它指的是人体在特定环境中，无需通过行为来调节环境就能达到的一种身体舒适状态。随着全球环境问题的加剧，调节环境以提升人体舒适度的需求日益增加。在高温或低温环境下，维持人体正常代谢活动需要稳定的体温，通常约为 37°C。传统的温度调节设备，如空调，虽然能实现个人舒适条件，但存在高能耗和在户外无法使用等局限性。个人热管理（PTM）技术应运而生，它能够避免人体在加热或冷却过程中不必要的电力消耗，还具有便捷性。

智能纺织品在 PTM 中发挥着重要作用。纺织品作为人类生活的重要组成部分，历史悠久，其便携性和可穿戴性不断发展。然而，传统纺织品在低温时无法有效阻止人体热量散失，高温时也不能及时释放积累的热量。智能纺织品则不同，它能在不同环境条件下调节人体热平衡，在恶劣环境中也能发挥关键作用。例如，在风暴中，增强智能纺织品对太阳能的吸收有助于人体保暖；在强烈阳光下，提高其热红外发射率能让人感觉凉爽。

人体与外界环境通过纺织品进行热交换的方式主要有热传导、对流、热辐射和蒸发。其中，热辐射通过具有特定光学性能的可穿戴纺织品表面发射红外辐射，在调节人体热量方面起着重要作用。通过控制辐射机制，可穿戴智能设备能够维持最佳工作温度，确保纺织电子产品的长期性能。

为了深入理解智能纺织品的创新策略，有必要了解热舒适的基本概念。热舒适主要是人的心理状态，取决于周围环境与人体皮肤的热平衡。人体在不同环境中能动态维持热平衡以确保舒适，目前广泛使用热感觉量表（如热、暖、微暖、适中、微凉、冷）来评估热舒适。中性感觉是在各种温度场景下都令人满意的状态，此时人体处于动态热平衡。人体通过热摄入和热损失的平衡过程来维持稳定体温，其热平衡公式为Qsun+Qgen=Qcd+Qcv+Qe+Qr+Qs ，其中Qsun是太阳吸收的总热量，Qgen是人体产生的代谢热率，Qcd、Qcv、Qe和Qr分别是通过传导、对流、蒸发和辐射的热损失率，Qs是人体储存的热量。

热辐射是一种与温度相关的电磁波，主要存在于红外（IR）和可见光区域。当辐射波照射到纺织品界面时，会发生透射（T）、吸收（A）和反射（R）现象，它们之间的关系为α+β+γ=1 ，其中α、β、γ分别是光谱吸收因子、光谱反射因子和光谱透射因子。

在设计用于辐射加热或冷却的智能纺织品时，需要考虑辐射参数，如红外透射率 / 发射率和太阳能反射率 / 吸收率。辐射冷却的目的是加速散热，使人体感觉凉爽，因此希望功能性纺织品能将人体红外发射波传输到纺织品内表面，同时提高外表面的红外发射率。高发射率的智能纺织品具有与皮肤相近的红外发射率，能高效传递热量；高透射率的纺织品可将人体辐射从皮肤传递到环境中，实现皮肤冷却。在户外环境中，高太阳能反射率能减少人体对外部太阳能的吸收，避免过热。

辐射加热则是为了减缓人体辐射散热，实现高效保暖。这就要求辐射加热功能纺织品的内表面 IR 反射率理想情况下为 100%，或红外发射率最小化以保存热量，同时具有高太阳能吸收率。此外，优化热辐射中不同波长的光，有助于提高能量效率和增强热舒适度。

随着材料科学和纳米技术的快速发展，越来越多的创新智能纺织系统能够实现加热和冷却功能，并进行自我温度调节。智能纺织系统集成了先进材料和技术，可在不同环境中调节热感觉，提升纺织品的功能性。例如，具有不同 IR 发射率的 Janus 双层智能纺织品，能根据环境合理组合实现冷却和加热双重功能；响应性智能纺织品近年来也取得了显著进展，在动态热调节方面潜力巨大。

在辐射冷却的智能纺织品方面，研究取得了诸多进展。主要分为提高 IR 透射率、提高 IR 发射率、提高太阳能反射率以及多模式冷却调节这几类。

提高 IR 透射率的智能纺织品，利用人体在室内环境中主要通过中红外辐射散热的特点，对纺织品光学特性进行优化。例如，Tong 等人利用聚乙烯（PE）纳米纤维制备了 IR 透明可见不透明织物（ITVOF），其简单分子结构使中红外波范围内吸收低，独特结构减少了 IR 反射，模拟显示 300μm 厚的 ITVOF 热辐射透射率约为 0.97。研究还发现，控制纳米多孔 PE 的孔径在 50 - 1000nm，可增加 IR 透射率并保持视觉上的不透明度；采用具有特定形状的纳米纤维，如椭圆珠结构的 Nano PAN 纤维，能提高太阳能反射率和 IR 透射率。此外，在 IR 透射率织物中添加功能性填料，如将氧化锌（ZnO）嵌入纳米 PE（ZnO - PE），可增强冷却能力，降低模拟皮肤温度。为解决染色问题，Cai 等人使用无机颜料对纳米 PE 织物进行染色，实现了高 IR 透射率和良好的色牢度。同时，具有各向异性润湿性的双层结构纳米多孔 PE 膜，能有效解决织物表面汗水积聚的问题，且不影响其辐射透射率。

提高 IR 发射率的智能纺织品，通过增强纺织品表面向太空发射热辐射的速率来实现冷却效果。这一概念并非新创，早期学者就利用高 IR 发射材料制备用于建筑日光辐射冷却的涂料和薄膜。如今，该技术被应用于可穿戴纺织品领域。为增强材料的 IR 发射率，可调整光学纳米结构、分子组成和超材料形态等因素。例如，Rephaeli 等人设计的金属 - 介电光子结构，利用石英和碳化硅（SiC）在大气窗口（8 - 13μm）的声子 - 极化激元共振增强选择性发射，冷却功率超过 100W/m2；Li 等人开发的可扩展分层设计纤维膜，以聚环氧乙烷（PEO）为主要材料，选择性发射率达到 78%，反射率为 96.3%；Zeng 等人通过控制聚乳酸（PLA）纤维直径约为 30μm，实现了多层超织物 94.5% 的发射率和 92.4% 的反射率，实际应用测试表明其比商业棉纺织品温度低约 4.8°C；Tao 等人发现三角形横截面的聚酰胺（PA）纤维比圆形 PA 纤维红外发射率更高，用其编织的织物发射率可达 91.85%。

提高太阳能反射率的智能纺织品，在户外环境中具有重要意义。太阳能辐射包含紫外线（UV）、可见光（VIS）和 IR 波长，其中 VIS 光和近红外（NIR）波长占总阳光辐照度的 90% 以上。提高纺织品太阳能反射率的方法包括选择合适的聚合物基质和添加高太阳能反射率的填料。例如，含有特定化学键的聚合物分子倾向于吸收太阳能，不利于辐射冷却；而具有较低消光系数（k 值）的聚合物，光吸收较少。在填料选择上，硫酸钡（BaSO4）、氧化铝（Al2O3）、二氧化钛（TiO2）和二氧化硅（SiO2）等被广泛应用。其中TiO2因高折射率能有效散射阳光，但它会吸收部分 UV 和紫光。为解决这一问题，研究人员转向宽带隙金属氧化物作为填料，如Al2O3和BaSO4。此外，通过微结构纤维工程也能提高太阳能反射率，如 Shi 等人开发的仿生复合纤维，利用丝绸纤维的内部结构提高了太阳能反射率；Cheng 等人通过调节环境湿度在电纺聚偏氟乙烯 - 共 - 六氟丙烯纤维上诱导纳米多孔结构，制备的纺织品太阳能反射率约为 93.7%，能有效降低温度。

多模式冷却调节的智能纺织品，整合多种冷却机制以优化辐射冷却效率。例如，Song 等人设计的三层冷却纺织品，在室内和室外分别具有72.78W/m2和118.18W/m2的冷却能力，通过控制纤维直径和孔径实现了高太阳能反射率；Wu 等人开发的光谱选择性分层织物（SSHF），能有效应对城市热岛效应，其高阳光反射率和特定的发射率调节功能使其在不同定位下都能保持较低温度；Zhang 等人设计的分级超织物，不仅具有高太阳能反射率和选择性 IR 发射率，还具备超快的水传输和蒸发能力，通过调节织物层的亲水性实现了高效的水分管理；Ma 等人开发的生物质衍生气凝胶，具有荧光和磷光特性，展现出良好的辐射冷却性能，强调了环境友好性和可持续性。

在辐射加热的智能纺织品方面，同样有多种类型。

提高 IR 反射率的智能纺织品，关键在于减少人体热量散失。受北极熊毛发等自然生物结构的启发，研究人员开发了具有特殊结构的纤维。例如，Cui 等人利用连续冷冻纺丝技术制备了具有排列多孔结构的纤维，孔隙率高达 87%，在 15 - 25μm 区域 IR 反射率可达 70 - 80%；Yu 等人制备的热塑性聚氨酯（TPU）纤维，其空心多孔结构使织物具有良好的隔热性能。此外，将金属基材料与纺织品结合也是常用策略，如在纺织品上涂覆金属或嵌入金属纳米线。例如，在多功能棉纺织品上涂覆纳米多孔银层和超疏水二氧化硅 / PDMS 层，银层在 2.5 - 16μm 区域平均透射率约为 0%，能有效反射红外线；Gao 等人制备的由 AgNW 网和 PI 电纺非织造布组成的双面非织造布，AgNW 浓度较高时 IR 反射率超过 80%。

降低 IR 发射率的智能纺织品，在室内环境中能有效减少人体辐射散热。例如，含有纳米多孔银和纳米多孔聚乙烯的棉基纺织品，热发射率可抑制至 10.1%；AgPA/CF 织物的平均中红外发射率在 7 - 17μm 为 46.2%，远低于原始棉花的 93.6%。此外，将金属颗粒、碳基材料（如石墨烯及其衍生物）或类碳物质（如 MXene）等掺入聚合物中，也能降低红外发射率，提高隔热性能。例如，Tavakkol 等人通过熔纺聚丙烯（PP）/ 铝（Al）复合材料制备的被动辐射个人加热织物，总中红外透射率为 0.20%，平均发射率为 16%，可使皮肤温度升高 3.8°C；Dong 等人使用 MXene@聚酯聚氨酯共混织物（MP 织物）构建的可穿戴加热系统，MXene 浓度为 28mg/mL 时，在 7 - 14μm 的中红外发射率为 19.53%，温度升高超过 6.83°C。然而，这些先进的纳米填料在编织成织物时往往较硬脆，影响穿着舒适性，如何平衡传热性能和可穿戴性仍是挑战。

提高太阳能吸收率的智能纺织品，利用太阳能作为清洁热源。太阳辐射到达地球表面的波长主要为可见光和近红外波段，远红外（FIR）射线能穿透生物材料并促进人体新陈代谢。目前存在两种加热机制，即通过增加 UV - VIS - NIR 吸收率的加热机制和利用功能粒子发射 FIR 射线的辐射加热机制。例如，Chang 等人制备的超薄纤维素 / MXene 复合布，能使模拟皮肤温度升高 5.6°C；Li 等人利用碳化废织物制备的改性碳化纤维（MCF），在 VIS 波长范围内光吸收率超过 95%，可快速加热至 95.3°C；Li 等人开发的具有锥形 3D 拓扑结构的仿生 3D 光热网，能增强光吸收；Viola 等人设计的双层纺织品，可最大化 VIS - NIR 阳光吸收；Cao 等人制备的MoS2 - HNSPs 光热纤维，在 808nm 近红外激光照射下太阳能效率高达 36%。

多模式加热调节的智能纺织品，综合多种因素提高辐射加热效果。例如，通过结合太阳能吸收和提高 IR 反射率，制备的智能 AgNWs/Cotton fabric@PPy/PDMS 纺织品，具有良好的外部阳光吸收率（98.6%）和内部 IR 反射率（76.3%），能在单太阳辐照下加热至 96°C，使人体温度升高 2.0°C；PU/PPy/ZrC 纤维通过三步效应实现了高效的辐射、电和太阳能驱动加热，可用于个人防寒；He 等人制备的 ZrNbMo - Al - N 三层高熵氮化物，具有优异的太阳能吸收率（92.8%）和低的热发射率（39.2%）；Janus MXene 织物利用其优越的光谱选择性，能有效抑制人体辐射散热，使模拟皮肤温度升高 3.4°C；Li 等人制备的彩色聚丙烯腈纳米纤维 / 银纺织品，具有良好的透气性、机械稳定性和太阳能利用效率（50%），低 IR 发射率（15%）；其他研究人员开发的彩色纳米光子结构纺织品，具有高阳光吸收率（50%）和低红外发射率（10%），同时具备良好的可穿戴性、美观性和可制造性。

智能纺织品系统在辐射加热和冷却方面也有重要进展，主要包括 Janus 纺织系统和响应性热调节纺织系统。

Janus 纺织系统中，Janus 纺织品具有双面不同特性，可实现全天候双模式热管理。通过不对称的红外辐射，其两面具有不同的红外发射率，能在冷却和加热模式间切换。例如，Cui 等人报道的 Janus 纺织品，通过在纳米多孔聚乙烯层中结合碳涂层（高发射率材料）和铜涂层（低发射率材料），可实现被动辐射加热和冷却，且能通过改变发射器方向切换模式；Yue 等人开发的 Janus 织物膜，由MnO2和 Cu 纳米线组成的三明治结构，通过翻转可实现冷却 - 加热模式切换；通过不对称缝合三层编织法制备的 Janus 纺织品，能实现高 IR 发射率（94%）冷却和低发射率（41.3%）加热。此外，Janus 纺织品还可设计成两面具有不同的阳光反射率，以适应不同的温度需求。例如，一种 Janus 膜以铝膜为基底，SiO2微球与 PDMS 前驱体混合制成冷却层，PDMS 基质封装碳纳米管制成加热层；另一种 Janus 织物通过将氮化硼纳米片（BNNS）和 MXene 分别集成到不同的 TPU 孔隙层中，实现了高太阳能反射率和吸收率，通过翻转可适应不同温度。

在实际应用中，结合调节织物发射率和利用阳光的技术，能更好地实现全天温度管理。例如，开发的双层皮革状纳米纺织物（LNT），具有透气、柔软、可拉伸的特性，其冷却侧阳光反射率约为 94.8%，红外发射率为 95.0%，加热侧翻转后太阳能吸收率约为 95.3%；灵活的分层 AgNW/rGO/PVDF - HFP 复合纳米纤维膜，可通过调节传热性能实现高效辐射加热和抗太阳冷却；一系列基于 MXene 等先进材料的多模式纺织品，能实现辐射冷却、辐射加热和焦耳加热等多种功能。

响应性热调节纺织系统中，智能纺织品能根据环境变化进行自适应热调节，确保人体生理和热舒适。其动态结构变化主要包括纤维材料的形状记忆特性或特殊纺织结构设计，如微孔的开闭、纤维排列的调整和层压结构的变化。

温度响应性智能织物近年来受到广泛关注。例如，Yang 等人设计的热响应性棉纺织品，在高温时，纤维表面的热响应聚合物链收缩断裂，使织物孔隙扩大，增加气流；低温时，响应性基质网络膨胀，孔隙收缩，减少透气性和透湿性，有助于保暖，比未改性棉织物温度高约 1.5°C；Huang 等人开发的热致变色热调节智能织物，其 IR 发射率为 0.94，太阳能反射率可随环境温度动态调整；Fan 等人利用可扩展制造的辐射电致变色纤维开发的动态热调节纺织品，可在低电压驱动下调节发射率，有效抑制温度波动。

湿度响应性智能织物能根据汗液调节结构，促进散热和空气循环。例如，Hu 等人开发的湿度响应性智能织物，基于羊毛纤维在水合和脱水过程中分子链的拉伸，使织物孔隙在吸收水分时打开，失去水分时关闭，湿态下红外透射率高于干态；Li 等人开发的自适应智能纺织品，可根据人体从干燥到潮湿环境的变化调节发射率；还有可编程的元百叶窗织物和双模式湿度 / 温度控制纺织品等，能有效调节热湿微气候，提高特定职业群体的舒适度。

尽管智能纺织品在个人热管理领域取得了显著进展，但要实现工业化和广泛应用仍面临诸多挑战。

在可穿戴性能方面，纺织行业需平衡热舒适和可穿戴舒适性。商业服装的可穿戴性能，如机械强度、吸湿性、柔软性、透气性和抗菌性等，在设计舒适服装时至关重要。智能纺织品与人体皮肤长期接触，其持续穿戴和服务可靠性对满足舒适、健康和安全标准至关重要。长期穿戴 PTM 纺织品不应引起皮肤刺激或炎症，且在实际穿戴中，纺织品之间的反复摩擦可能导致性能下降。此外，PTM 纺织品的可洗性也常被忽视，洗涤或干洗过程中使用的洗涤剂、溶剂和磨料可能会破坏其功能微 / 纳米结构或功能基团。

在材料和结构创新方面，材料科学和结构工程的进展<在材料和结构创新方面，材料科学和结构工程的进展对 ptm 技术至关重要。持续寻找 ptm 领域的新型材料和结构，需注重制造的可扩展性和成本效益。利用与辐射相关的材料优化商业纺织品，是提升可穿戴性能的有效方法。然而，纳米技术的应用需谨慎考虑纳米材料的安全性，因其小尺寸可能穿透人体皮肤，对健康产生不利影响。此外，可持续发展也是关键，随着可穿戴电子产品的迅速发展，考虑环境因素变得越来越重要，研究可回收和环保材料对推动可穿戴技术的可持续未来至关重要。未来，开发更合适、安全的材料，将有助于实现辐射 ptm 和可穿戴特性的平衡，为 ptm 智能纺织品领域带来重大突破。除了优化 ptm 材料，不同的微观结构和先进的热管理材料设计，能显著影响热辐射性能，优化热发射率和调节太阳能反射率，对提高 ptm>

在功能集成和优化方面，辐射调制只是 PTM 领域潜在技术的一小部分。人们更倾向于具有集成功能的智能纺织品，这些功能包括灵活性、汗液管理、通风、双面加热、能量存储和转换等。PTM 的主要目标是不断提高效率，向更智能化和系统集成方向发展。然而，目前缺乏针对不同环境和个人需求设计纺织品的综合优化模型。因此，除了基本的冷却和加热功能外，集成自供电、无线传感、能量存储和计算等多种可穿戴技术，对于开发实用的、商业化的个性化按需 PTM 应用设备至关重要。此外，将 PTM 智能纺织系统与物联网和人工智能技术相结合，以及创新的织物微观结构，有望为优化热条件、提高便利性和效率开辟新途径。

在商业化方面，智能纺织品应满足消费者的特定需求，并以合理价格提供。近年来，许多研究集中在使用前沿加工技术的 PTM，但这些技术往往成本高昂、工艺复杂，难以在市场上广泛应用。尽管部分纺织品已达到工厂级生产水平，但从实验室规模到工业规模的商业化仍存在较大差距，实验室制造的低效率和复杂性难以满足市场生产需求。实现自适应热管理性能的同时，必须兼顾耐久性、可洗性、适用性和舒适性等因素。因此，一些小型产品，如帽子、手套等，有望在早期推向市场。此外，还需要先进的制造技术、湿热转换机制、先进的编织方法和创新的纺织结构，来制造商业化的 PTM 产品。从长远来看，PTM 纺织品的未来发展仍任重道远。

展望未来，智能纺织品在个人热管理领域前景广阔，但也面临诸多挑战。随着能源资源的逐渐枯竭，辐射热调制纺织品在可穿戴电子领域的发展和集成，在节能和智能穿戴方面受到越来越多的关注。未来的研究应注重可回收和可生物降解材料，以促进智能穿戴设备的可持续发展；追求多功能性，将先进算法和传感性能融入 PTM 技术；深入探索材料和结构工程，为智能穿戴设备带来更多突破，使其不仅能维持热舒适，还能提供多样化的个性化服务，在更多领域得到广泛应用。