《Materials Today Physics》：Emerging Thermoregulating Textile for Energy Exchange and Personal Thermal Management
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极端天气威胁人类健康与热舒适，纺织品作为第二层皮肤需精准调控体表与环境的热量交换。本文系统综述基于辐射、传导、对流及湿度管理四类能量交换机制的先进个人热管理（PTM）纺织品，分析其设计原理与性能指标，指出动态响应材料与智能调控系统的未来方向。
作者：童雪、张学静文、郭朝阳、马瑞杰、陶伟汉、姜思宇、王超霞、尹云杰
中国江苏省江南大学教育部特种防护纺织品重点实验室，无锡市，214122
摘要：
频繁发生的极端天气事件对人类健康和热舒适度构成了重大威胁。作为人体的第二层皮肤，纺织品不仅充当主要的保护屏障，还是人体与其周围环境之间能量交换的关键接口。近年来，人们提出了多种先进的个人热管理（PTM）纺织品，旨在将人体温度维持在舒适范围内。然而，由于缺乏对这些策略的系统性分类和全面评估，阻碍了PTM纺织品的持续发展。本文基于人体与环境之间能量交换的基本途径，回顾了PTM纺织品的最新进展。在介绍了热舒适度的概念以及通过服装调节能量传递的机制后，我们系统地对基于辐射、传导、对流和湿气管理的PTM策略进行了分类和批判性分析。对于每一类策略，我们探讨了其设计原理、制造方法和性能指标。最后，本文讨论了存在的挑战和未来的研究方向，旨在为下一代高性能、智能PTM系统的开发提供指导。
引言
自工业革命以来，以化石燃料为动力的社会经济发展推动了人口快速增长，同时也引发了严重的能源短缺和环境退化（如温室效应和城市热岛效应）[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。研究表明，自21世纪以来[6]，全球变暖和温度上升降低了北半球的供暖需求（图1a）。与此同时，中纬度地区更频繁和强烈的热浪增加了制冷需求（图1b）。极端天气事件变得更加普遍，环境温度的波动在频率和强度上都有显著增加。人体通过生理调温机制维持大约37°C的稳定核心温度，以适应不断变化的外部条件[7]、[8]。这一温度范围会因健康状况、活动水平和环境因素而有所不同[9]。然而，极端条件很容易破坏这种热平衡。过热或过冷造成的热应力不仅会损害生理和心理健康，甚至可能危及生命[10]、[11]。此外，不良的热舒适度会降低劳动生产力和工业产出，可能导致经济衰退[12]、[13]。为了应对复杂多变的天气条件，人们越来越依赖温度调节设备来维持热舒适度。传统的室内温度控制主要依靠供暖、通风和空调（HVAC）系统进行建筑规模的热调节[14]。值得注意的是，建筑物占全球能源消耗的40%以上[15]、[16]，其中近一半的能源用于空间供暖和制冷，而且这一比例仍在上升。除了这种低效能源使用带来的沉重环境负担外，HVAC系统的庞大体积和较差的便携性也使其不适合户外应用[17]。
服装一直是人类文明的基本组成部分，既作为保护屏障，也是人体与环境之间能量交换的关键接口。它调节热量传递，提供保护，并具有美学价值[18]、[19]。无论人类文明处于哪个阶段，纺织品的主要功能始终是在各种场景中提供热舒适度。然而，传统纺织品由于热调节效率低下和功能有限，往往缺乏足够的热舒适度和湿气舒适度[20]。例如，在炎热条件下，棉质材料会阻碍体热和汗液的快速散发，导致热量积聚和黏腻感。在寒冷环境中，多层绝缘材料会使服装变得笨重，限制活动自由。近年来，随着人们对在炎热潮湿环境中穿着舒适度的需求增加，个人热管理（PTM）的概念应运而生，这促进了先进热管理纺织品的探索和普及，推动了工业和学术研究领域的突破性进展。PTM指的是对人体皮肤和服装之间的微气候进行局部温度控制，通过精确调节人体与外部环境之间的能量交换来维持适合人体热舒适度的温度范围[21]、[22]、[24]。为了满足特定场景的需求，已经开发出了具有单一高效热管理功能（仅冷却或仅加热）的纺织品。典型的例子包括适用于炎热户外环境的辐射冷却纺织品和适用于寒冷环境的低红外（IR）发射率纺织品。此外，动态变化的环境需要能够动态调节人体温度以维持热稳态的纺织品。动态热管理纺织品主要分为两类：（1）主动动态PTM：依赖外部力量或能量输入，例如手动可逆的双面纺织品[25]和电池驱动的空调服装；（2）被动动态PTM（也称为自适应PTM）：通过材料或结构对外部刺激（如温度和湿度）的响应实现自动调节。图1c展示了PTM功能纺织品的发展时间线。近年来，许多品牌推出了针对人体与环境之间热交换路径的纺织品，旨在通过多种机制改善人体热舒适度。典型的例子包括：Coolmax纤维具有独特的四通道截面，利用毛细作用将汗水从皮肤吸到织物表面快速蒸发；Outlast将微胶囊化的相变材料集成到纤维中，根据温度波动吸收、储存和释放热量以缓冲皮肤温度波动；Omni-Heat在内部织物层采用图案化的银涂层铝点，将体热辐射反射回皮肤，从而减少热量损失；Gore-Tex通过其微孔结构形成防水防风的屏障，同时保持高透气性。这些创新为传统纺织品赋予了辐射冷却[26]、定向吸湿[27]和热湿响应[28]等先进功能，实现了对皮肤微环境的精确调节，从而提高了PTM性能。
气候变化和技术进步的背景下，人们对舒适度的需求不断提高，推动了创新的热管理解决方案的发展。如图2所示，新兴的PTM纺织品通过针对人体-环境能量交换路径，标志着一种范式的转变。这些先进材料实现了服装-皮肤微气候中的局部温度调节，无需耗费大量能源的全空间调节，因此成为未来个人热舒适度解决方案的可持续替代方案。本文阐明了PTM概念，并总结了PTM纺织材料的最新进展和策略。我们首先建立了人体热舒适度框架，并分析了人体-服装-环境系统中的能量传递过程。核心部分系统地回顾了通过调节辐射、传导、对流和水分蒸发实现冷却或加热的先进纺织品。对于每种策略，我们详细介绍了材料选择、结构设计和热管理性能。最后，本文指出了该领域的主要挑战和未来的研究方向。我们的目标是为高性能PTM纺织品的设计提供全面的参考，并加速下一代系统的开发。
章节摘录
热舒适度：概念、能量传递分析和调节策略
热舒适度是一种主观的心理状态，表示对热环境的满意感，生理上定义为在不使体温调节系统过载的情况下，体内热量产生与损失之间的动态平衡[37]。其评估结合了测量的皮肤温度和主观反馈。作为与环境的主要接口，皮肤布满了热感受器，对环境条件非常敏感[38]。皮肤温度受
用于热辐射调节的新兴PTM纺织品
纺织品中的辐射热交换涉及太阳辐射和人体辐射，其性能受织物在太阳光谱和红外光谱上的光学特性的影响[49]。辐射冷却纺织品通常具有较高的太阳反射率，并进一步根据红外行为进行分类：红外透射型[50]、[51]、宽带红外发射型[52]、选择性红外发射型[54]。相比之下，辐射加热纺织品通过高红外反射率减少体热损失
用于热传导调节的新兴PTM纺织品
热传导在具有温度梯度的接触介质中普遍存在，热量通过梯度驱动的微观粒子的运动和碰撞从高温区域传递到低温区域[112]。从微观角度来看，热传导依赖于微观粒子之间的能量传递，主要包括三种核心机制：电子热传导在金属中占主导地位，通过自由电子动能的扩散和碰撞实现；声子热传导
用于热对流调节的新兴PTM纺织品
热对流是人体与环境之间重要的热传递机制，与热辐射和传导一起，构成了人体散热的核心途径。这一过程依赖于宏观流体流动（主要是空气）将热量从高温区域传递到低温区域。流动的空气可以带走体热（例如夏季电风扇的冷却原理），而厚重的冬季服装则通过阻碍空气流动来隔热
单向汗液传递纺织品
出汗是人体调节体温的关键生理机制。在静止状态下，蒸发冷却占总散热量的约25%；在高温暴露或体力活动下，这一比例超过75%，成为主要的散热途径[48]。纺织品表面的汗液蒸发能力可以用以下公式表示：
其中 是纺织品表面的汗液蒸发能力， 是水的汽化潜热， 是对流质量
结论与展望
在社会发展和天气日益不稳定的背景下，对增强热舒适度和湿气舒适度的需求不断增长，使得PTM成为了一个关键的研究领域。本文系统总结了功能型PTM纺织品的进展，这些纺织品围绕四种基本的热量和水分交换途径：辐射、传导、对流和汗液蒸发进行设计。这些先进材料主动调节皮肤-服装微气候，以实现精确的热调节
CRediT作者贡献声明
姜思宇：方法论、研究。
王超霞：监督、资金获取。
尹云杰：监督、资金获取。
张学静文：研究。
郭朝阳：研究。
马瑞杰：软件、研究。
陶伟汉：研究。
童雪：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
数据可用性
数据将应要求提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25-2688）和中国国家自然科学基金（21975107）的财政支持。
