苎麻纤维作为最古老的天然纤维之一，被广泛认为是“天然纤维之王”。其织物（Ramie Fabric，RF）具有独特的结构，由活性腔和透汗纤维组成，使吸收的汗液渗透到空腔中并快速导出，从而提供卓越的透气性和传热性能。因此，RF常用于服装面料。然而，RF中的吸湿和水分蒸发过程是双向的，阻碍了RF满足日益增长的服装舒适性需求。为了解决这个问题，受自然界中动植物（如仙人掌、荷叶、沙漠甲虫、蜘蛛丝等）润湿现象的启发，近年来一直致力于设计和制造具有单向液体输送（ULT）能力的Janus织物。Janus织物两侧的不同润湿特性可以驱动水从疏水侧向亲水侧的输送，同时防止其反向传输，充当液体二极管。因此，Janus面料可以有效吸收多余的汗水，为身体提供舒适感。
此外，目前对阻燃服装的需求不断增长。Research Dive的一份报告指出，到2026年，全球阻燃防护服市场将以8.2026%的复合年增长率增长。此外，欧美也出台了相关法规，要求纺织品，尤其是儿童睡衣具有阻燃性能。阻燃性能对于儿童服装的面料是必要的，因为它们比更容易发生火灾事故。然而，RF的固有可燃性大大降低了其在服装中使用的安全性。因此，赋予其优异的阻燃性能具有重大意义。
虽然许多功能性织物已被制备，但它们往往无法将上述所需特性组合在一起，限制了它们的使用价值。日前，华中科技大学余龙江教授团队联合多伦多大学颜宁教授团队，通过简单的方法创造性地制备了一种同时具备机械和化学耐久性、单向液体输送、吸湿排汗、优异阻燃性能和高效率油水分离性能的苎麻织物（Janus-RF）。相关工作以“Flame-retardant Janus ramie fabric with unidirectional liquid transportation, moisture-wicking, and oil/water separation properties”为题发表于《Chemical Engineering Journal》，第一作者为华中科大博士生王慧慧，其余作者为多伦多大学博士后郝成，华中科大李攀登，舒潼，余天意，通讯作者为华中科大余龙江教授和多伦多大学颜宁教授。
Janus-RF的制备过程如图1所示。首先，将原始RF分别浸入壳聚糖（Chitosan, CS）和植酸（Phytic acid, PA）溶液中，挤压和干燥后，获得织物CS-PA-RF。在这种情况下，CS（作为阳离子电解质）和 PA（作为阴离子电解质）通过静电引力逐层沉积在RF表面。此外，PA中的羟基和CS中的羟基和氨基可通过氢键与RF上的官能团（如羟基）相互作用，进一步增强结合力。此外，通过一步溶剂热聚合实现PDVB在CS-PA-RF表面的沉积（CS-PA-PDVB-RF），形成的粗糙表面使织物具备超疏水性（SHB）和超亲油性（SOL）。最后，由于PDVB在紫外光下发生氧化，CS-PA-PDVB-RF的辐照表面变成了超亲水性（SHL），而未照射表面则保持SHB，从而形成Janus-RF。
不同织物的化学结构通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行了表征（图2a）。经过CS和PA溶液处理后，在CS-RF的红外光谱中观察到位于1580 cm−1的峰，它属于CS的–NH振动，在CS-PA-RF的FTIR光谱中观察到位于1260 cm−1的新峰，它属于PA的P=O基团，证明了CS-PA在织物表面的沉积。通过观察在1610 cm−1处出现的峰，对应于苯环，则证实了DVB的聚合。而经过紫外照射后，PDVB被紫外光产生的自由基氧化，这通过在Janus-RF的FTIR光谱中1701 cm−1处的峰来证实，该峰归因于C=O基团。
图2b则显示了原始RF和改性织物的X射线光电子能谱（XPS）谱图。在CS-RF和CS-PA-RF的XPS谱图中，出现了N 1s峰，而在CS-PA-RF的XPS谱图中出现了P 2s和P 2p3峰，表明成功地在织物表面引入了CS和PA 。然而，当织物表面进一步被PDVB覆盖时，N 1s、P 2s和P 2p3相关的峰不能再被检测到，只剩下O 1s和C 1s的峰。此外，碳含量大幅增加，证明了PDVB涂层的存在。
织物的表面润湿性与其微观结构和化学组成密切相关。通过在原始RF和改性织物表面滴加水和己烷来评价表面润湿性。如图3a、b所示，CS和PA涂层未改变织物的润湿性，即其SHL和SOL特性与原始RF相同。然而，在织物表面沉积PDVB层导致织物水润湿性的显著改变，静态水接触角（WCA）和滑动角（SA）分别为152.5°和4.8°，表明表面为SHB，但织物的超亲油性保持不变（图3c、g）。而在紫外光照射后，辐照侧的WCA在2.6秒内几乎变为0°（图3d、f），表明织物这一侧的润湿性由SHB变为SHL，而未照射侧的润湿性则保持SHB。当把织物自由丢入水中时，原始RF吸收水分并沉入水中，而Janus-RF由于其疏水性可以漂浮在水上（图3h）。此外，当将Janus-RF强制浸入水中时，Janus-RF的SHB表面显示出非常明显的银镜现象，而在原始RF中则没有观察到这种现象。
Janus-RF的SHB表面的耐用性对日常活动和工业应用至关重要，因此其抵抗磨损或其他恶劣环境的能力应该被考虑在内。在此，使用砂纸磨损和胶带剥离测试评估了Janus-RF的机械稳定性。如图4a所示，砂纸磨损对Janus-RF的SHB表面的润湿性没有明显影响；经过50个循环后，静态WCA仍接近150°，保持良好的疏水性能。胶带剥离测试也对润湿性没有显著影响，WCA仅略有下降。除了机械磨损外，Janus-RF的耐化学性也是必要的，并通过将织物浸入不同的化学试剂和不同pH溶液中来测定。可以看出，Janus-RF的WCA始终保持在145°以上，接近超疏水性，表明Janus-RF具有良好的化学稳定性（图4c, d）。
图4 (a) 砂纸磨损，(b) 胶带剥离，(c) 不同化学品和 (d) 不同pH溶液处理后织物WCA变化
为了展示Janus-RF的ULT行为，水滴分别滴在织物的每一侧，并监测其传输过程。如图5所示，当SHB表面朝上时，水滴能够自发穿过SHB层并渗透到Janus-RF的SHL层，而当SHL表面朝上时，水滴只能在SHL层上展开，不能朝SHB表面传输。这种独特的单向输送性能则归因于两侧的反向润湿性。由于ULT性能，实现了Janus-RF的吸湿排汗性能，并通过测量水蒸气透过率（WVTR）和水蒸发速率（WER）进行了评估。如图6a所示，Janus-RF的WVTR（0.024 gcm−2h−1）与原始RF（0.025 gcm−2h−1）相当，表明制备过程不影响WVTR，即RF的内在透气性得到保留。此外，CS-PA-PDVB-RF的WER最低，在30 min内仅有80%的水蒸发，因为织物两侧都具有超疏水性，防止了水的渗透和蒸发。与CS-PA-PDVB-RF相比，Janus-RF在WER方面则显示出明显的提高。有趣的是，与原始RF（0.62 gh−1）和商用排湿性Coolmax织物（0.31 gh−1）相比，Janus-RF具有更高的WER（0.81 gh−1）（图6b）。这种改善是由于Janus-RF的不对称浸润特性，提供了一个压力梯度，有助于水从疏水层向亲水层的单向传输，而不是在两侧都是亲水性时的双向传输，从而促进水蒸发，使皮肤保持干燥。因此，出色的透气性和排湿性使Janus-RF成为服装有竞争力的候选材料。
利用垂直燃烧测试和极限氧指数（LOI）研究了不同织物的可燃性。如图7a所示，原始RF很容易着火，火焰迅速蔓延，在10 s内达到RF的顶部，且没有残留的炭化物，显示出极高的易燃性。与原始RF一样，CS-RF也表现出很高的易燃性；织物在15 s内燃烧，其中一半被损坏，没有残留的炭化物，表明仅用CS溶液处理并没有改善RF的阻燃性（图7b）。然而，在用PA溶液处理织物后，织物获得了优异的阻燃性，即CS-PA-RF在两次点火后立即自熄，并显示出26 mm的炭化长度（图7c）。在对织物进行进一步处理（PDVB涂层和紫外线照射）后，CS-PA-PDVB-RF和Janus-RF表现出类似的自熄性能，它们的炭化长度与CS-PA-RF接近，表明PDVB涂层对织物的阻燃性没有显著影响（图7d和7e）。LOI值的趋势与垂直燃烧测试的结果类似，原始RF和CS-RF的LOI值分别为18.5%和19.1%，表明极高的易燃性。与原始RF相比，CS-PA-RF的LOI值显著增加至31.4%，这归因于CS和PA提供的良好阻燃性。此外，通过进一步引入PDVB的SHB涂层，CS-PA-PDVB-RF的LOI值达到32.1%，与CS-PA-RF的值相。
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