通過水分或溫度等外部刺激調節其結構和性能的智能響應紡織品在服裝、可穿戴系統、液體運輸、軟體機器人、醫療保健產品等應用中頗受歡迎。其中，具有可調透濕性以滿足穿著者的生理需求和周圍環境條件的智能濕敏型紡織品最具吸引力。一般來說，由于纖維溶脹會占據更多的空間，紡織物在潮濕的環境下往往會縮小孔徑，反之亦然。然而，為了滿足穿著者的熱調節和舒適性，人們更希望相反的情況，即紡織物在潮濕或出汗的條件下能增大孔徑以增強通風和冷卻效果，而在寒冷或干燥的條件下能減小孔徑以保留熱量和保護屏障。

　　近期，香港理工大學和美國康奈爾大學的研究人員在Advanced Fiber Materials 上發表了題為 “Water Responsive Fabrics with Artificial Leaf Stomata” 的研究成果，報道了一種由聚丙烯酰胺多層水凝膠構建的人工樹葉氣孔式織物。這些人工氣孔（織物狹縫或孔）在潮濕條件下能自動打開，而在干燥條件下能自動關閉。這種響應突破了因傳統纖維吸濕膨脹而導致織物孔徑變小的限制，實現了織物吸濕開孔的非常規響應，使得織物的透濕性提高50%以上。這種濕敏織物可以直接應用于運動服等智能服裝領域。

　　植物葉片氣孔由兩個保衛細胞組成，在高濕度（潮濕）或光照強度下，兩個保衛細胞膨脹并拉開，形成一個開放的孔隙以方便吸收水分；而在低濕度和低光照條件下恰恰相反，兩個細胞縮短，氣孔閉合以防止水分流失（圖 1a）。該研究報道模擬了這種自然界現象，在針織尼龍織物中構建了人工樹葉氣孔以實現織物吸濕開孔的非常規智能響應。研究者采用兩種不同交聯程度的水響應性聚丙烯酰胺 (PAAm) 水凝膠，在織物切縫（即狹縫或孔）邊緣創建人工保衛細胞（圖1b)，其中內層由高度交聯 (HC)、低溶脹的水凝膠組成，外層由低度交聯 (LC)、高溶脹的水凝膠組成。由于狹縫外層水凝膠在潮濕時比內層水凝膠的膨脹大100 倍，因此水凝膠雙層（即人工保衛細胞）隨著周圍濕度的增大向外彎曲以打開織物中的狹縫（孔）。 與以往眾多研究中的“折翼法”不同，該織物只在其自身平面內變形，因此不會影響整體外觀或觸覺舒適度。

　　圖1 模擬植物葉片氣孔的可伸縮織物的設計

　　根據圖2a所示的流程，通過光聚合將三層聚丙烯酰胺 (PAAm) 水凝膠涂敷在經過二苯甲酮 (BP) 光引發劑預處理的針織尼龍織物上和經過預模板構建的窗口區域。水凝膠交聯固化后，在內層HC水凝膠的中心位置切開一條9 mm的狹縫，創建人工氣孔（孔隙）。圖2b顯示水凝膠完全覆蓋了織物的氣孔窗口（狹縫）區域，涂層后的氣孔窗口（狹縫）區域纖維表面相對粗糙，并可見超細水凝膠纖維（圖2c）。

　　圖2 縫隙區域涂有三層聚丙烯酰胺 (PAAm) 水凝膠的人工氣孔式織物的制備過程和結構形貌

　　研究者對該人工氣孔式織物進行了包括尺度變化、透濕率和透氣率的遇水響應性研究。當與水接觸10 min后，織物氣孔窗口的狹縫張開（圖3a左），干燥1 h后，織物上的狹縫閉合（圖 3a右），且與原始尺寸相似。人工氣孔的開閉行為在20 次干濕交替循環中和近1年的存放中變化很小，表明耐久性良好。特別是該織物對人造汗液的響應與純水相似。在水蒸氣透過率 (WVTR) 實驗中（圖3b）發現，與兩個未帶和帶有狹縫的對照織物樣品、以及僅有水凝膠涂層沒有狹縫的樣品相比，帶有水凝膠涂層和狹縫的樣品在潮濕條件下表現出最高的蒸汽透過率 (476 g/m2/h)，比在干燥條件下高出 56%。這是由于潮濕時狹縫的開口大大增強了蒸汽的傳輸。在透氣率實驗中（圖3c）發現，涂有三層水凝膠的狹縫織物在干燥或潮濕條件也顯示了更高的氣體滲透率（>43×10-9 cm2)，與水蒸氣透過率 (WVTR) 結果相似，說明縫隙的打開也提高了織物的透氣性。

　　圖3 縫隙區域涂有三層聚丙烯酰胺 (PAAm)水凝膠的人工氣孔式針織尼龍織物的遇水響應性、透濕性和透氣性

　　綜上所述，該工作開發了具有模擬樹葉氣孔的織物，這些氣孔（即水凝膠涂層狹縫）能在潮濕條件下張開、在干燥條件下閉合，這種開閉行為有利于不同生理和環境條件下的人體水分和熱量管理。例如，當穿著者在正?；蚋稍飾l件下休息時，織物上的人工氣孔保持關閉狀態，可以保持熱量并最大限度地保護屏障；相反，當穿著者在劇烈運動或暴露于炎熱潮濕的環境中大量出汗時，織物的縫隙打開，以增加熱量和水分的滲透性，從而提高人體的熱舒適性。除了尼龍織物外，棉織物和聚氨酯織物也證明了三層水凝膠狹縫（人工氣孔）的環境響應性，表明該策略適用于不同的面料。這類智能織物可以直接應用于功能性服裝，也可以擴展到其他應用領域，例如傷口敷料、受控藥物和營養物釋放以及各種相關的工業產品。

　　來源：Advanced Fiber Materials 、NTMT紡織新材料