CIF等离子清洗机助力辽宁材料实验室刘燕教授团队ACS Applied Materials & Interfaces：兼具辅助传感功能的结构化双功能辐射制冷纤维膜

第一作者：丁振民

通讯作者：刘燕

DOI：https://doi.org/10.1021/acsami.6c16563

    近日，辽宁材料实验室材料技术研究所独立PI刘燕教授团队，在国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》发表研究成果，研发出兼具辐射制冷与湿度传感的结构化双功能PVA基纤维膜，解决传统辐射制冷材料难以兼顾湿度传感等技术难题，为智能防护口罩类医用纺织材料提供新方案。

    该研究采用静电纺丝构筑双层纤维膜结构，外层经四氟化碳（CF4）等离子刻蚀改性的 PVA 纤维，兼顾耐水性、高太阳光反射率与中红外发射率，实现超 10 ℃的日间辐射制冷效果；内层 PVA-炭黑（PVA-CB）复合纤维依托乙醇溶胀-脱水机制构建导电网络，实现稳定快速的湿度响应，可区分不同呼吸模式，完成呼吸信号实时监测。制备过程中使用CIF CPC-E设备开展表面处理，同时借助 FDTD 仿真优化纤维直径，保障膜层光学与传感综合性能。

   随着可穿戴电子与智能纺织材料快速迭代，静电纺纤维材料凭借优异可加工性、高孔隙率与功能可拓展性，在防护面罩、智能穿戴等领域展现出防护‑生理监测一体化的巨大潜力。传统防护口罩虽可高效阻隔病原体，但密闭的过滤结构会大量滞留呼吸产生的热量与水汽，口罩内部微环境相对湿度可升至 95%，面部温度显著抬升，引发闷热、面部瘙痒等 “口罩综合征”，长时间佩戴舒适度大幅下降，直接降低人们佩戴口罩的依从性，在高温环境、户外作业场景中该矛盾会进一步加剧PMC。

    被动辐射制冷技术无需外部能耗，依靠材料高太阳反射率与 8‑13 μm 大气窗口红外发射能力，将人体代谢热量向宇宙空间散失，为解决口罩热舒适痛点提供可行路径。目前已有多款辐射制冷口罩被报道，可实现 2.8~7.2 ℃的降温效果，但现有研究大多仅聚焦温度调控，忽略了腔内湿度这一关键佩戴评价指标。口罩内部湿度不仅直接决定佩戴体感，同时也是重要生理信号：呼出气的湿度波动可以反映呼吸频率、呼吸深度，能够用于慢阻肺、睡眠呼吸暂停综合征等呼吸系统疾病的早期预警与动态追踪，因此，将湿度传感功能集成到口罩中具备重要实际价值。

    当前研究分别在辐射制冷口罩、口罩集成湿度传感两个方向取得进展，但二者的融合仍存在难以突破的材料本征矛盾。主流辐射制冷聚合物（PVDF、PEO、PAN 等）本身为疏水材料，水分子难以吸附，无法构建有效的湿度响应通路，不能用作湿度传感层；聚乙烯醇（PVA）分子富含羟基，亲水性强，非常适合电阻型湿度传感，但是纯 PVA 遇水极易溶解，在口罩内部高湿、户外环境下会发生溶胀破损，限制其直接用于辐射制冷户外场景。

    Janus 双层结构有希望实现呼出冷凝水单向输运，外层辐射制冷可以降低腔体内湿度、抑制传感层热漂移，湿度传感信号反过来量化腔内热湿调控效果，形成制冷‑传感闭环。但目前几乎没有静电纺纤维膜能够同时实现高性能日间辐射制冷与稳定湿度传感，二者协同作用缺少实验验证。口罩狭小密闭空间内温度、湿度强耦合，如何在同一膜材料上同时实现热管理与湿度感知，成为智能防护纺织亟待解决的现实问题。针对上述瓶颈，本工作设计功能分区的双层静电纺 PVA 纤维膜，外层改性实现耐水辐射制冷，内层炭黑复合实现湿度传感，为热湿调控‑呼吸监测一体化智能口罩提供可规模化制备的新思路。

    团队设计功能分区的双层静电纺 PVA 纤维膜：外层CF4等离子改性疏水 PVA层，依靠分子振动发射与多孔光散射，获得97%的太阳光平均反射率与 0.95的大气窗口红外发射率，实现白天大于10 ℃的被动降温，且具备良好耐紫外老化、自清洁与弯折性能；内层亲水 PVA炭黑复合层依靠湿度可调的导电网络实现电阻型湿度传感。湿度传感吸附响应时间1.1 s、脱附时间35 s，经百次循环后仍保留98%初始响应幅值，稳定性优异。

    实际测试表明，该纤维膜可精准识别鼻式、口式的正常呼吸与急促呼吸等多种呼吸状态，解析呼吸频率与呼吸深度，有望用于慢阻肺、睡眠呼吸暂停等病症的实时预警。将该双功能纤维膜用于防护口罩，能够同步完成腔内热湿环境调控和呼吸生理信号采集，形成制冷传感闭环，提升佩戴舒适度。该工作为热湿调控与健康监测一体化的智能口罩提供可规模化制备新策略，对下一代智能医用纺织发展具有参考价值。