近日，由南京大学国家固态微结构重点实验室陈子鹏、张倩（通讯作者，南京大学/武汉纺织大学）及陕西科技大学丁丽萍（苏州实验室）作为共同第一作者，联合南京大学工程学院与应用科学学院、江苏省人工功能材料重点实验室、武汉纺织大学新型纺织材料与先进加工技术国家重点实验室等研究人员组成的团队合作完成的《一种采用高度拉伸处理的尼龙6纳米纤维制成的红外透明织物》（An infrared-transparent textile with high drawing processed Nylon 6 nanofibers）为题，发表于2025年《自然-通讯》第16卷（Nature Communications, 2025,16: Article number 2009）。
一：研究背景
随着全球能源需求的不断增长，降低能源消耗成为实现可持续发展的关键。传统空调系统在调节室内温度时消耗了大量能源，而纺织品作为与人体直接接触的材料，在个人热管理中具有重要潜力。红外（IR）透明辐射冷却纺织品因其在实现个人热舒适和降低能源消耗方面的巨大潜力而备受关注。然而，目前能够实现IR透明的纺织材料大多为少数合成纤维，传统纺织材料难以达到IR透明效果，这限制了其大规模实际应用。尼龙6（PA6）作为一种常见纺织材料，因其优异的加工性、强度和稳定性被广泛使用，但其在IR区域的高吸收性使其难以直接用于IR透明纺织品。因此，开发基于PA6的IR透明纺织品，对于拓展传统纺织材料的应用领域、推动节能技术发展具有重要意义。
二：核心研究成果发现
本研究基于PA6，通过设计一种高拉伸处理与快速溶剂蒸发相结合的工艺，成功制备出IR透明的PA6纺织品（IRT-PA6）。研究团队通过改变PA6分子链的构象和晶体结构，显著减弱了PA6在IR区域的分子振动（IR吸收），同时将纤维尺寸调控至纳米级别，最小化IR反射。实验结果表明，覆盖该纺织品的人体比覆盖棉织物的人体可降低2.1°C，相当于室内冷却能耗降低约20%。
（1）分子结构与晶体结构的调控
研究团队分析了PA6的分子结构和晶体结构对其IR吸收的影响。PA6具有α相和γ相两种常见晶体结构，其中α相为最稳定晶体相，分子链呈反平行排列，氢键在平面内形成且与脂肪族链段平面共线；而γ相为亚稳态，分子链呈平行排列，氢键在不同平面形成。通过理论模拟发现，α相的键振动强度显著高于γ相，导致α相PA6在IR区域吸收较强。因此，研究团队采用高拉伸和快速溶剂蒸发的电纺工艺 ，促使PA6分子链有序排列，实现从α相到γ相的转变，从而降低IR吸收。
图1：a. 模拟空调设定点与人体周围局部温度之间的关系，当覆盖具有不同光学性质的纺织品时。b. PA6分子链的衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR），显示其振动模式比其他纺织材料少，特别是在接近9.6微米的中红外波长范围内。c. 不同厚度的各种商业PA6材料在红外范围内的透射率和吸收率。d、e. PA6的α相和γ相的晶体结构。α相的链呈反平行排列，其氢键在平面a、b内形成，并与脂肪族段平面共线（d）。γ相显示出平行排列，氢键在平面b、c内形成（e）。红色虚线用于表示氢键。f、g. α相（f）和γ相（g）在红外区域的模拟振动光谱。α相的分子键振动强度远高于γ相。h. 高拉伸工艺的示意图，这种效应导致分子链高度取向，以改变链构象和晶体结构。i. IRT-PA6纺织品（蓝色曲线）的红外和可见光总透射率，以及通过纺丝溶液挥发直接获得的滴铸膜（灰色曲线）的红外透射率，后者在制备过程中没有拉伸效应。
为了进一步提高IR透射率，研究团队将PA6纤维尺寸调控至纳米级别。理论计算表明，当纤维直径远小于IR波长时，可显著降低散射损耗，提高透射率。实验中，通过优化工艺，将PA6纤维平均直径控制在约150纳米，远小于IR波长，从而最小化了散射损失。相比之下，直径为10微米的纤维（类似商业纺织纤维）则表现出较高的反射率。
图2：a-c. 电纺纳米纤维（a）、离心纺纤维（b）和滴铸膜（c）在两个相互垂直的偏振光束下的微偏振红外光谱。酰胺基团吸收峰强度的差异揭示了纤维内的各向异性，表明它们具有高度取向的结构。d-f. 电纺纳米纤维（d）、离心纺纤维（e）和滴铸膜（f）的二维广角X射线衍射（2D-WAXD）图案。g、h. 分别通过电纺、离心纺和滴铸方法制备的PA6的XRD图案（g）和拉曼光谱（h）。i. 纤维直径与相对红外透射率之间关系的理论模拟。j. 电纺纳米纤维的扫描电子显微镜（SEM）图像（独立重复5次，结构相似）。k. 各种PA6材料在红外区域的透射光谱。
（3）IRT-PA6纺织品的冷却性能
研究团队通过模拟人体皮肤的实验装置，测试了IRT-PA6纺织品的冷却效果。实验结果显示，IRT-PA6纺织品覆盖的模拟皮肤温度最低，与商业PA6纺织品和棉织物相比，分别降低了2.5°C和3.3°C。此外，通过热像仪直接观察IR辐射通量，发现IRT-PA6纺织品在初始接触模拟皮肤时，因高IR透射率而显示出温暖颜色，而商业PA6纺织品和棉织物则因吸收IR辐射而显示出较冷颜色。在达到稳态后，IRT-PA6纺织品显示出最浅颜色，表明其局部温度最低。
图3：a. 模拟皮肤测试的实验装置。b. 覆盖IRT-PA6纺织品、纳米PE膜、商业PA6纺织品和棉织物的模拟人体皮肤的温度测量。数据以平均值±标准差（n=3）表示。条形图中的数字代表模拟皮肤温度的平均值；误差条表示测量变化；白色圆圈代表每个数据点的分布。c. 裸露皮肤和其他覆盖纺织品的热像图。比例尺：外矩形虚线框（加热器）的尺寸为10厘米×10厘米。d. 基于热人偶系统的冷却性能测量。数据以平均值±标准差（n=3）表示。条形图中的数字代表模拟皮肤温度的平均值；误差条表示测量变化；白色圆圈代表每个数据点的分布。e. 当模拟皮肤保持在33.5°C时，IRT-PA6纺织品和棉织物的散热功率。
除了优异的冷却性能外，IRT-PA6纺织品还具有良好的可穿戴性。实验表明，该纺织品具有理想的水蒸气传输性能，支持汗液蒸发产生的水蒸气渗透。同时，其透气性与棉织物相当，这得益于其纤维结构和激光打孔技术形成的微孔。此外，IRT-PA6纺织品还展现出较高的拉伸强度和延展性，与商业棉织物相当。通过将IRT-PA6夹在两层尼龙网之间并用粘合剂粘合，可进一步提高其耐用性，而不显著影响其IR透射率。
基于IRT-PA6纺织品的冷却优势，研究团队还对其节能潜力进行了分析。选取中国几个炎热城市，计算了过去三十年夏季平均最高气温下，穿着IRT-PA6纺织品代替棉织物室内冷却时的平均节能效果。结果显示，在环境温度约为30°C时，可实现约20%的节能。
图4：a. 人体穿着一件背心的照片和热像图。背心的左侧是棉织物，右侧是IRT-PA6纺织品。b. 不同纺织品下的人体皮肤温度曲线。同时记录了人体周围的环境温度。c. 棉织物和IRT-PA6纺织品的水蒸气传输率。d. 棉织物和IRT-PA6纺织品的应力-应变曲线。e. 在几个城市的不同环境温度下，穿着IRT-PA6纺织品代替棉织物在室内时的平均节能效果。
三：研究结论
综上所述，本研究开发了基于高度拉伸处理的尼龙6纳米纤维的红外（IR）透明纺织品。与具有高IR吸收率的商业PA6不同，研究显著减弱了分子链的键振动强度，并将纤维尺寸调控至纳米级别，从而最小化了PA6纺织品的吸收和反射，最终实现了高IR透射率。这种IR透明纺织品在模拟皮肤测试中，比IR吸收型的PA6纺织品和棉织物分别低2.5°C和3.3°C，人体覆盖研究设计的IR透明纺织品时，比覆盖棉织物的人体温度低2.1°C，表明在室内冷却过程中能耗降低了约20%。这项研究将为被动冷却提供一种有效途径，并激发开发用于减少全球能源消耗的材料的创新途径。
查阅链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57366-9
