近年来，随着全民健身热潮的兴起，人们在运动过程中对舒适性的关注度显著提升。然而，在夏季户外运动时，鞋内环境往往面临严峻的高温高湿挑战——环境温度25～35℃、湿度50%～70%的条件下，运动初期鞋内温度可达32～38℃、湿度75%～90%；进入稳定阶段后，鞋内温度更可攀升至38～48℃，湿度超过95%。这种持续的湿热环境不仅加速足部疲劳，还会导致塑料鞋底材料软化，增加安全风险。尽管现有纺织品能够实现湿度管理和制冷等功能，但将辐射制冷、定向导水、轻量化和足够机械强度集成于单一鞋面材料中，仍然是一项重大挑战。
针对上述挑战，中山大学翟文涛教授课题组提出了一种大规模制备增强型泡沫纤维的策略，并通过三维针织技术构建了名为RFTT的三维织物。基于实验与模拟结果，研究团队揭示了孔隙形态、分布及界面效应对散射现象的影响机制，阐明了各向异性散射机制在辐射制冷能力中的作用。RFTT 通过多成核发泡方法形成增强散射的分级多孔结构，实现了高达99.4%的太阳光反射率和 98.9%的中红外发射率。此外，该织物在日间和夜间的净辐射制冷功率分别达到153.2 W/m² 和174.5 W/m²，平均降温温度比棉织物低7.6°C、比PET织物低 6.3°C。相关论文以“Multimodal Super-Cooling Porous Textiles With Anisotropic Light Scattering for the Dynamic Hygrothermal Comfort Management in Sports Scenarios”为题，发表在Advanced Materials上。
创新设计与制备：同轴共挤发泡技术
研究团队设计了一种同轴共挤方法，以CO₂作为绿色物理发泡剂，在TPU挤出过程中引入连续的高强度PET纤维作为增强材料。下图清晰展示了增强泡沫纤维的微膨胀发泡技术流程、不同热拉伸倍数下纤维横截面孔隙的变化规律、PET纤维影响TPU发泡行为的机理，以及孔隙结构与光散射之间的关系。增强泡沫纤维的实际照片和扫描电镜图像进一步揭示了其独特的芯-壳结构 —— 靠近增强芯纱附近形成取向孔隙，为各向异性散射提供了结构基础。同时，五角星形泡沫纤维与增强泡沫纤维的复合，结合人体皮肤散热机理示意图，展现了RFTT在运动场景中的多功能应用策略。
力学性能：从纤维到织物的全面强化
普通泡沫纤维在拉伸过程中气泡结构容易发生不规则变形，而增强泡沫纤维由于 PET增强芯材的约束作用，气泡沿轴向取向排列，形成稳定的孔隙结构。经力学性能测试，RFTT的拉伸伸长率约为320%，高于商业Flyknit鞋面的270%。循环拉伸测试进一步证实，RFTT在经过多次循环后，加载-卸载曲线无明显变化，展现出优异的抗疲劳性能和可靠性。
光学结构与散射机理：各向异性散射的突破
RFTT的光学性能突破源于其独特的各向异性散射结构。结果显示，RFTT的太阳光反射率达99.4%，发射率达98.9%，显著优于普通泡沫纤维三维织物和已有研究报道。
户外辐射制冷性能：实测降温优势显著
在户外实际测试中，RFTT展现出卓越的辐射制冷能力。与棉织物和PET织物的同步户外测温对比显示，在太阳辐射强度达1200 W/m²、相对湿度48%的条件下，RFTT覆盖下模拟皮肤的温度范围为32.3～46.2°C，平均温度比棉织物低 7.6°C、比PET织物低 6.3°C。红外热成像图显示，RFTT鞋面在阳光照射下具有显著的低温优势。净制冷功率模拟计算表明，RFTT日间净辐射热流为153.2 W/m²，夜间为174.5 W/m²。当织物温度低于环境温度时，制冷功率为正，并随“过冷度”增加而显著增大。与已报道的辐射制冷纺织品相比，RFTT的制冷功率值远超现有研究，展现出在辐射制冷应用中的巨大潜力。
蒸发冷却性能：仿生设计实现高效排汗
RFTT的仿生结构设计使其兼具优异的蒸发冷却性能。人体皮肤通过毛孔和汗毛进行散热。RFTT的散热机理及其仿生灵感来源显示，其三维针织结构中的水平织物对应表皮，编织孔隙对应毛孔，垂直方向的亲水性五角星形泡沫纤维则对应汗毛 —— 这种结构设计使RFTT能够实现连续辐射散热和对流散热，并在高湿热条件下通过“汗腺”和“汗毛”增加蒸发散热。
运动状态实测：动态热湿管理验证
在实际户外运动测试中，RFTT的动态热湿管理能力得到了充分验证。志愿者穿着RFTT鞋面运动鞋进行户外跑步测试的环境条件和配速信息显示，鞋内环境随运动状态变化呈现三个阶段特征：初始阶段（0～15 min）温度从环境温度迅速升至30～35°C、湿度逐渐超过环境湿度；中期阶段（10～30 min）温度维持在35～42°C、湿度迅速达到80%以上甚至饱和；后期阶段（30 min 以上）鞋内保持高温高湿状态。普通运动鞋（PET鞋面）与RFTT鞋面的冷却机理对比显示，PET 鞋面导热和导汗能力有限，外部热量持续进入鞋内，代谢热和摩擦热难以散出；而 RFTT鞋面能提供有效的辐射和蒸发冷却，减少外部热输入并快速散出鞋内热量。
缓冲性能与耐久性：多尺度能量耗散机制
RFTT还具备优异的缓冲防护性能和耐久性。落球冲击测试结果（落球高度 1 m，钢球质量100 g）显示，RFTT覆盖下传感器所受冲击力为784 N，而未发泡TPU织物为2376 N，商业Flyknit鞋面高达4211 N。RFTT的冲击曲线出现两个连续峰值，反映了其多尺度损伤演变过程 —— 首先发生于泡孔结构的微观尺度，随后扩展至织物表面的宏观尺度。不同重量钢球（50、100、300 g）的落球冲击测试进一步证实，无论峰值力、能量吸收效率还是缓冲时间，RFTT 均展现出显著优势。
来源：高分子科学前沿
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