通过水分或温度等外部刺激调节其结构和性能的智能响应纺织品在服装、可穿戴系统、液体运输、软体机器人、医疗保健产品等应用中颇受欢迎。其中，具有可调透湿性以满足穿着者的生理需求和周围环境条件的智能湿敏型纺织品最具吸引力。一般来说，由于纤维溶胀会占据更多的空间，纺织物在潮湿的环境下往往会缩小孔径，反之亦然。然而，为了满足穿着者的热调节和舒适性，人们更希望相反的情况，即纺织物在潮湿或出汗的条件下能增大孔径以增强通风和冷却效果，而在寒冷或干燥的条件下能减小孔径以保留热量和保护屏障。

　　近期，香港理工大学和美国康奈尔大学的研究人员在Advanced Fiber Materials 上发表了题为 “Water Responsive Fabrics with Artificial Leaf Stomata” 的研究成果，报道了一种由聚丙烯酰胺多层水凝胶构建的人工树叶气孔式织物。这些人工气孔（织物狭缝或孔）在潮湿条件下能自动打开，而在干燥条件下能自动关闭。这种响应突破了因传统纤维吸湿膨胀而导致织物孔径变小的限制，实现了织物吸湿开孔的非常规响应，使得织物的透湿性提高50%以上。这种湿敏织物可以直接应用于运动服等智能服装领域。

　　植物叶片气孔由两个保卫细胞组成，在高湿度（潮湿）或光照强度下，两个保卫细胞膨胀并拉开，形成一个开放的孔隙以方便吸收水分；而在低湿度和低光照条件下恰恰相反，两个细胞缩短，气孔闭合以防止水分流失（图 1a）。该研究报道模拟了这种自然界现象，在针织尼龙织物中构建了人工树叶气孔以实现织物吸湿开孔的非常规智能响应。研究者采用两种不同交联程度的水响应性聚丙烯酰胺 (PAAm) 水凝胶，在织物切缝（即狭缝或孔）边缘创建人工保卫细胞（图1b)，其中内层由高度交联 (HC)、低溶胀的水凝胶组成，外层由低度交联 (LC)、高溶胀的水凝胶组成。由于狭缝外层水凝胶在潮湿时比内层水凝胶的膨胀大100 倍，因此水凝胶双层（即人工保卫细胞）随着周围湿度的增大向外弯曲以打开织物中的狭缝（孔）。 与以往众多研究中的“折翼法”不同，该织物只在其自身平面内变形，因此不会影响整体外观或触觉舒适度。

　　图1 模拟植物叶片气孔的可伸缩织物的设计

　　根据图2a所示的流程，通过光聚合将三层聚丙烯酰胺 (PAAm) 水凝胶涂敷在经过二苯甲酮 (BP) 光引发剂预处理的针织尼龙织物上和经过预模板构建的窗口区域。水凝胶交联固化后，在内层HC水凝胶的中心位置切开一条9 mm的狭缝，创建人工气孔（孔隙）。图2b显示水凝胶完全覆盖了织物的气孔窗口（狭缝）区域，涂层后的气孔窗口（狭缝）区域纤维表面相对粗糙，并可见超细水凝胶纤维（图2c）。

　　图2 缝隙区域涂有三层聚丙烯酰胺 (PAAm) 水凝胶的人工气孔式织物的制备过程和结构形貌

　　研究者对该人工气孔式织物进行了包括尺度变化、透湿率和透气率的遇水响应性研究。当与水接触10 min后，织物气孔窗口的狭缝张开（图3a左），干燥1 h后，织物上的狭缝闭合（图 3a右），且与原始尺寸相似。人工气孔的开闭行为在20 次干湿交替循环中和近1年的存放中变化很小，表明耐久性良好。特别是该织物对人造汗液的响应与纯水相似。在水蒸气透过率 (WVTR) 实验中（图3b）发现，与两个未带和带有狭缝的对照织物样品、以及仅有水凝胶涂层没有狭缝的样品相比，带有水凝胶涂层和狭缝的样品在潮湿条件下表现出最高的蒸汽透过率 (476 g/m2/h)，比在干燥条件下高出 56%。这是由于潮湿时狭缝的开口大大增强了蒸汽的传输。在透气率实验中（图3c）发现，涂有三层水凝胶的狭缝织物在干燥或潮湿条件也显示了更高的气体渗透率（>43×10-9 cm2)，与水蒸气透过率 (WVTR) 结果相似，说明缝隙的打开也提高了织物的透气性。

　　图3 缝隙区域涂有三层聚丙烯酰胺 (PAAm)水凝胶的人工气孔式针织尼龙织物的遇水响应性、透湿性和透气性

　　综上所述，该工作开发了具有模拟树叶气孔的织物，这些气孔（即水凝胶涂层狭缝）能在潮湿条件下张开、在干燥条件下闭合，这种开闭行为有利于不同生理和环境条件下的人体水分和热量管理。例如，当穿着者在正常或干燥条件下休息时，织物上的人工气孔保持关闭状态，可以保持热量并最大限度地保护屏障；相反，当穿着者在剧烈运动或暴露于炎热潮湿的环境中大量出汗时，织物的缝隙打开，以增加热量和水分的渗透性，从而提高人体的热舒适性。除了尼龙织物外，棉织物和聚氨酯织物也证明了三层水凝胶狭缝（人工气孔）的环境响应性，表明该策略适用于不同的面料。这类智能织物可以直接应用于功能性服装，也可以扩展到其他应用领域，例如伤口敷料、受控药物和营养物释放以及各种相关的工业产品。

　　来源：Advanced Fiber Materials 、NTMT纺织新材料