国际纤维工程学研究所的研究方向

刘辅庭

(原上海市纺织科学研究院 200092)



国际纤维工程学研究所的研究方向

刘辅庭

(原上海市纺织科学研究院 200092)

摘要：介绍日本信州大学国际纤维工程学研究所的尖端纤维研究部门、生物医疗纤维研究部门、智能纺织品研究部门及感性时装工程学研究部门。

关键词：大学；研究所；尖端纤维；生物医疗纤维；智能纺织品；时装

2014年3月1日 设立国际纤维工程学研究所(日本信州大学)目的是继续发展以纤维、纺织、服装为基础的教育研究、国际协作、产学协作。国际纤维工程学研究所的使命是为构筑富裕可持续社会，在国际的视野下利用纤维科学和技术，在学术基础上进行技术积蓄及创新。其实践在于自由思想和研究有效进行。教师开展各自的研究活动，时常进行信息交流，开展创新研究。研究成果必须通过企业及行政还原于社会。积极推行产学官协作。在研究、生产、市场国际化的纤维、纺织领域，要具备研究的国际竞争力，同时进行国际协作。纤维及纺织领域范围广泛，尖端领域、融合领域、社会及产业必需领域等，一研究所难以应对。进行文献调查，明确在国内外分工体制中的位置，长期招聘海外一流研究人员及单位并互相访问，开展共同研究的摸索及交流。

研究所从材料研究到产品开发，由尖端纤维、生物医疗纤维、智能纺织品、感性及时装四研究部门和研究协作室构成。部门的研究尖端化，同时开展国内外的企业及研究单位的融合研究。现在由专任教师8名、兼任教师13名及海外特别招聘教授和特任助教构成[1]。

1尖端纤维研究部门[2]

尖端纤维研究部门目的在于开发有效利用资源、能源的节能及回用的材料和安心安全的材料，构筑高强度纤维、高性能纤维、纳米纤维等的制造基础技术，创制有各种功能性能的尖端纤维。现在有专任教师2名和兼任教师2名。

1.1溶液纺丝法制作高性能高功能纤维

经凝胶纺丝制作维尼纶及聚丙烯腈等纤维，由干湿法纺丝制作纤维素纤维，改变溶剂和纺丝条件调研对纤维结构及物性的影响。溶液纺丝时纺丝液量10mL、喷出量0.1mL/min/孔、卷绕速度5～200m/min的条件下一次制作数百米的连续纤维，并进行评价。纺丝液及凝固浴的温度控制从负到100℃。按需要在纺丝线上设置外径测定器及CCD照相机，由人工气象室改变温湿度，探讨纺丝氛围对纤维物性的影响。

纺丝液量40mL的皮芯纤维制造装置用来制作异种聚合物组合的功能性纤维。纺丝液及纤维的结构、物性由溶液流变仪、附冷却加热台偏振光显微镜、纺丝性试验、力学试验、DSC、X射线衍射等进行评价。

1.2异种材料复合的纤维功能化

纳米填料(碳纳米管、纤维素须晶、纳米粘土等)及金属化合物用作功能剂。与纤维复合是纳米填料混入纺丝液进行纺丝或利用吸附吸收于纤维表面。用填料赋予纤维功能时，两者的亲合性重要。例如控制丝表面结构后，用分散剂分散在水中的碳纳米管自发地吸附于茧丝。少量吸附也有良好的导电性。层状成形物的表面电阻为数百kΩ、透明导电体的透过率90%。利用碘对聚合物的强吸收性的金属化合物复合后，开发导电性、抗菌抗病毒、抗血栓性、抑制生物吸附的特性纤维。

1.3静电纺丝法开发高功能产品

纳米纤维有高比表面积，是多孔材料。可用作透湿防水膜、高性能滤材、电池隔膜、电极、超电容器、太阳能电池、清洁室用纤维、防尘服、口罩等。约60%是医疗用途，例如研发生物组织培养支架及药物渐释技术。也用于蓄电装置。

1.3.1生物组织培养支架

通常生物内的细胞被细胞外基质包围，由于细胞外基质的支架功能，细孔的增殖及分化顺利进行。对支架的要求是操作、生物吸收、细胞粘合、多孔性及力学强度，而纳米纤维满足这些条件。为促进纤维芽细胞的吸附，已制成高亲水性丝复合纳米材料。根据评价可用作生物医疗材料。加TMSO后，接触角减小，显示高亲水性，且细胞的粘合率增加而无坏影响。

1.3.2药物渐释技术的开发

渐药释技术是长时间少量排出药物，用于医药、农药、肥料及化妆品等。用静电纺丝法药物囊剂涂于纳米纤维制成渐释剂，并评价渐释功能。

1.3.3蓄电装置部件

今后电动车需要蓄电装置。锂离子蓄电池高容量化，作为助力电源的电双层电容器也起重要作用。蓄电池的隔膜的作用是极板间的绝缘及电解液的保持、过充电时发生的氧透过性能、耐药品性、热稳定性及力学强度等。纳米纤维非织布可满足这些条件。

纳米纤维化隔膜的电双层电容器的电极开发也在进行。电容器的正负电极为活性炭。活性炭的粒子直径约1μm，煤及椰子壳等的碳物质与高温气体及药品反应，制成细孔(直径10～200Å)物质。细孔构成内部网，因此表面积大(500～2500m2/g)。为此充电时可蓄许多电荷，实现高容量化。但是细孔形成到活性炭内部的深层，因此电荷的吸脱需要时间，不能急速充放电。又电解质难以与全细孔接触。

用静电纺丝法制作的碳纳米纤维一般由聚丙烯腈纳米纤维制成。聚丙烯腈纳米纤维经300℃空气中烧制环化而稳定，在800℃以上进行碳化处理，再经2 000℃烧制而石墨化，制成碳纳米纤维

碳纳米纤维无多的如活性炭的细孔，因此经赋活处理表面形成细孔。碳纳米纤维比活性炭，体积比表面积高，可用作电极材料，扩大电容器的容量。但碳纳米纤维需经2 000℃烧制，成本高，排放多量CO2而环境负荷大。现研发只经环化及碳化处理制成碳纳米纤维(如海岛结构的多孔碳纳米纤维)用作电容器的电极。从聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯的混合溶液制成静电纺纳米纤维。在混合溶液中由于聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯的表面张力的差异形成海岛结构。经环化和碳化处理，聚甲基丙烯酸甲酯分解而形成细孔。

聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯的混合溶液再加石墨烯等制作碳纳米纤维以扩大电容器的容量，并进行大型滤材化今在研发中。

1.4利用激光照射加热开发高功能性纤维

1.4.1激光纺丝

为纤维高强度化，需要相反的高分子量化和纺丝拉伸性。为此提出激光纺丝法，激光照射于喷嘴喷出的树脂，瞬时低粘度化而卷绕。据报道可制造高强度高韧性聚酯纤维。

1.4.2高精度拉伸

激光照射于卷绕后的纤维，经急速均匀加热，瞬时瓶颈拉伸，可非接触而高精度固定拉伸点的位置，可进行稳定的连续高拉伸。据报道取得的单丝直径更均匀，纤维强度也提高。

根据卷绕速度变化在数厘米间直径可连续变化，又由于激光间歇照射，直径在1mm以下可周期变化。

1.4.3流动拉伸

一般加热(降粘度)难以使液状丝拉伸，但由于瞬时加热，可进行稳定的流动拉伸，因此高倍拉伸可制成极细纤维。

1.4.4纤维结构形成的机理

纤维的制造速度快，纤维结构也在约1ms形成。高辉度X射线装置结合激光拉伸，可在100μs以下测定变形后的纤维结构形成过程。解析结果可用于纤维的物性设计。

2生物医疗研究部门[3]

2.1生物聚合物研究

丝是传统的生物聚合物。丝是以氨基酸为生物结构嵌段的大蛋白质构成的纤维，经可溶化可创制薄膜、海绵、树脂成形体及纳米纤维。并作为骨芽细胞及纤维芽细胞的培养支架材料进行研究评价。为系统解释丝的性质，对陆上生物蚕及蛛，也对水中生活的生物的制丝进行基础研究。蚕丝蛋白质由丝芯蛋白和丝胶的两种蛋白质构成。丝芯蛋白纤维早已用作外科缝合线，是生物安全性材料，可用作医疗材料。丝芯蛋白纤维溶解成水溶液后，用特殊的方法制成多孔结构的丝芯蛋白海绵可用作软骨再生材料，这是对细胞及动物的研究结果。对关节软骨受伤的兔狗的模型动物，移植有软骨细胞及骨髓液的丝芯蛋白海绵后，确认有效的软骨再生。现在与京都大学及东邦大学进一步研究用丝芯蛋白海绵的软骨再生治疗系统。丝芯蛋白材料对身体及细胞的特殊性质的机理是课题，在进行研究。现在已知在丝芯蛋白上细胞的运动性高、细胞的凝集性高，在丝芯蛋白上培养的细胞有分化趋向。又在研发医疗用途的纳米纤维垫的制作方法、用转基因丝芯蛋白创制新丝生物材料。

2.2医疗机器人研究

利用脊椎动物的纤维结构及肌骨格结构及其运动控制机理，开发医用机器人及医用促动器。现在的医用机器人存在清洁性安全性问题。为此研发利用水压及气压的医用促动器。流体促动器是利用压力室结构体加流体压力时产生的结构体的弹性变形之力，无触电及发热的危险而是安全的，材料可灭菌是清洁的，成本低可用即弃，可用作病人附近及病人体内驱动的医用机器人的促动器。开发的促动器有水压驱动型用即弃促动器和气压驱动的纤维增强型橡胶圆筒促动器。水压促动器是应用医药品高精度给病人的注射筒输液泵机构，从设置在清洁郊区的汽缸通过管子送入促动器内部的水量以控制轴向驱动量。又开发6促动器并联而构成的圆筒型小轻内视镜操作机器人。比欧美的大型医用机器人，重量为1%以下、体积为1/10以下。气压促动器是由空气注入后扩张的圆筒膨胀体及其纤维增强包覆体构成，膨胀体的内压上升时，包覆体抑制半径方向的扩张，而增加轴向的伸长力。又开发3气压促动器组合成包，经上浆一体化的任意方向可弯曲和伸长动作的促动器以及许多气压促动器组合的各种类型的医用机器人。

又开发肌骨格型医用机器人。开发5指机器人手即膨胀体的内压上升时，纤维包覆体按半径方向扩张，轴向收缩而发生力的模仿人肌肉结构的气压促动器25个组合，制成大小接近人手并且有自由度、骨格结构及可动范围的51指机器人手。能动假手及把持柔软脏器的手术用钳将用于试验床。又开发单孔式内视镜手术用钳的操作手及其控制系统。脊椎型金属丝驱动弯曲机构支持S字弯曲用于单孔式内视镜手术。

2.3柔软材料研究

纤维素、甲壳质有微原纤形态，研究目的在于其应用高强度(断裂强度6GPa)、高弹性模量(150GPa)的微原纤作为轻而有生物降解性的纳米增强纤维可望实用。已开发纤维素或甲壳质增强的多糖类氢化凝胶和在合纤内粘膜须晶一轴取向的高弹性模量纳米复合纤维。又研究纳米须晶表面结合荷电基或高分子的表面修饰后，提高分散稳定性，抑制基质内的凝集。

研究超分子材料Polyrotaxan，它是轴分子贯通许多环分子，由膨松封闭剂封闭末端的几何学结构的超分子总称。轴分子为聚乙二醇和环分子为环糊精制备的超分子从1993年报道以来在推进材料应用。超分子的特性很像纤维素，可用纤维素的衍生物化及可溶化技术。一分子内有回转、滑动等的运动自由度，因此可创制特殊物性的材料。已进行超分子的各种衍生物的制备，有关离子性、非离子性高分子侧链、附加氨基酸等进行系统研究，并制备各种物性的超分子衍生物。又研究经交联、纤维成形后制成材料，进行物性探讨，开发经光刺激切断末端的刺激响应性超分子。

2.4生物资源研究

许多生物生产纤维，进行生活。其中纤维素是地球上最丰富的天然纤维。纤维素构成半纤维素、木质素及植物细胞壁，以支持植物结构体。最近利用纤维素的高强度，开发纳米纤维。部分微生物也生产纤维素，微生物纤维素的特征是纤维素构成薄膜，纤维素纤维是高结晶、纤维幅100nm的纳米纤维。现在注目于醋酸菌，研究蛋白质分子级的纤维素合成机理。比醋酸菌Asaia bogorensis 生产性高的有醋酸菌Gluconacetobactor xylinus。如能明了其不同的因素，可经微生物培养大量制造10～50nm的纤维素纳米纤维。现在可用X射线结晶结构解析次单元蛋白质，了解由纤维素合成酶合成的纤维素链的缔合。

为探讨纤维素的分解注目于酶。纤维素酶是水解纤维素由于纤维素的结构不同，能作用的纤维素酶的种类不同。据最近报道，结晶性纤维素的分解不仅是水解酶，而氧化还原酶也起作用，还有对纤维素起缓作用的纤维素膨胀蛋白质。现在研发纤维素膨胀蛋白质和超声波的分纤处理，可制造纤维幅数十～数百纳米的纤维素纤维。

关于材料的再资源化，研究利用微生物生产的酶。例如从海洋性土壤分离的不完全性子囊菌也起醋酸纤维素作用而资源化。这是由于多量生产分泌作用于酯键的酯键酶。纤维素用化学方法导入功能基，可使纤维素纤维高功能化，考虑到分解，要开发环保型材料。

3智能纺织品研究部门[4]

3.1功能性高分子纳米粒子的开发

现在已创制半球由无机物质包覆的非对称型微粒和随温度大小变化的氢化凝胶微粒内部按场、量、质控制无机纳米粒子的纳米复合凝胶微粒等。高分子微粒不仅发挥要素的功能，经集聚形成空间秩序后具有新功能。代表例如微粒有规排列、呈现优美色彩的人工蛋白石(胶体结晶)。为创制微粒材料的新功能，考虑到微粒自行驱动的时空间功能。时空间功能指空间的秩序沿时间轴变化的动态秩序结构。现在已发现微粒自行周期变化大小，而周期集合分散的现象。为有效利用时空间功能，开展研究微粒设计、合成方法、微粒集聚化。

3.2开发轻强可回用的纤维增强复合材料

现在研发以研究纤维的力学特性为出发点，开发易回用的高比强度、多功能性纤维结构体及纤维增强复合材料。

3.2.1生物模拟设计开发高强度轻结构体

已开发用生物模拟设计法注目于竹节，制成竹节薄圆筒和薄板结构。制成的纤维增强复合材料加总重的数%，提高弯曲特性数十倍。

3.2.2利用纤维加工技术，提高纤维增强复合材料的压缩特性和弯曲特性

利用包芯纱，压缩部的强化纤维束用树脂经真空树脂流动形成集合体后，纤维束的耐曲强度提高，纤维增强复合材料的弯曲强度提高34%。

3.2.3开发优力学特性(高含纤率>60%)、高耐热性的长丝强化纤维增强热塑性复合材料

纤维强化热塑性复合材料的回用性、生产性优，可代替热固性复合材料。已开发用织物强化材料或UD材料，用低价的纤维增强热塑性复合材料成形法。制成的材料具有如同纤维增强热固性材料的含纤率、弹性模量和强度。已确认以开发的材料为母材的纤维增强热塑性材料具有高耐热性。

3.2.4开发高比强度、耐浸蚀的纤维增强复合材料

已开发利用高比强度、耐浸蚀的纤维制成纤维增强复合材料，它具有如同碳纤维增强复合材料的强度特性，而耐浸蚀性为其5倍以上。

3.3织入热电偶的智能纺织品

传感对象为心电图或肌电图时，织入电极和配线，用导电性纱。交叉的导电纱的接触电阻变化后，作为基材的开关，可检测位置。如用导电性橡胶，可检测轴向应变，穿衣时可测量尺寸。对身体信号及血流的检测，有表型，而衣服型的优点在于负荷分散及传感点自由。

衣服内的温湿度检测可评价衣服的舒适性及防护服的热应力，也需要检测水分。可用半导体湿度传感器及半导体温度计。

作为感温部小、同时测定多点、易配线的穿型传感器，已制作织入热电偶的纺织品。热电偶用来检测温度。直径0.1的原丝经焊接制成感温部，原丝也可用作配线。构成热电偶的两原丝作为织物的纬纱进行织造，其后按需要点进行焊接，制成感温部。又制作可测定平面内的温度分布的纺织品。对干燥部的温度降低，可在湿态进行测定。现在用试制的纺织品和热人模以测定衣服内温度分布。

3.4智能材料、纳米复合材料的开发和应用/防音材料、电磁波屏蔽材料的研发/材料的健康监视/超声波的材料的粘弹性、物性评价

研发如纳米材料(碳纳米管、有机无机粒子、纳米纤维)/纳米复合的功能性复合材料(高性能电磁波屏蔽材料、隔音材料)/纺织品的立体结构及高性能复合结构材料(高层间破坏韧性材料、高振动衰减材料)。

3.5穿型福祉机器人

开发易穿、易动、易操作的福祉机器人。特征是非外骨骼型设计、减速器内藏型转矩传感器、神经振动子同步控制。各促动器装于人体的各关节。电极贴于身体，穿机器人后可反映穿机器人的的意识。

2011年开始开发机器人，现在是第三个。为实现上肢(6轴)和下肢(4轴)的助动，用10个促动器。含控制器的总重为10kg。为轻而柔软，不用电磁促动器，而用伸缩的人工肌肉，采用聚氯乙烯凝胶软促动器。用于病人。

3.6可穿生命信号测定系统的开发

研究纤维传感器(热电偶纺织品)的制造技术、热电偶为芯的复合丝制造技术等。目标是血压、血糖值、呼吸次数等可实时检测的智能纺织品。计划国际协作共同开发。

4感性、时装工程学研究部门[5]

对各刺激的舒适感进行分解以检测综合的舒适性。刺激分温热、肌触、压迫、视觉，各进行生理及心理的评价，以了解舒适性的结构。具体以衣服为对象，并对舒适性的影响大的部分进行检测评价，试制舒适性评价装置，又研究应用连续体统计学。

4.1为美丽而舒适的衣服材料和衣服设计

现在收集法国、美国、英国、日本的代表体型，分析体型和尺寸，并评价与现成服的适合性。分析各国的服型制图方法，调研体型和服型的不同对衣服舒适性和外观的影响。并提出同时满足舒适和外观的服型设计方法。研究布物性及其控制方法。又收集高级衣服的设计技术信息，研究缝制及熨烫技术对衣服外观的影响。

4.2衣服材料的纺织品的网络购货的研究及立体裁剪的研究

关于网上交易，探讨怎样提供什么信息。

探讨衣服设计在假想空间内进行。设计和试穿如能假想进行，将提高效率。

探讨假想的立体裁剪。假想的布型于假想的人模进行测绘进行立体裁剪。在假想空间内与布接触，取得布的特性，进行在假想空间的立体裁剪。

4.3以国际市场为前提，关于服饰造型和纺织品设计的技术经营研究

考虑到纺织品的遥控交易，研究构筑纺织品建议系统。为利用时装的设计制造的纺织品信息，收集国内外企业、制造商的样品，进行分析，进行纺织品模拟、手感评价及制衣。又进行设计者的织物选择实验以了解设计者的思考。根据以上的结果，探讨分类法，推进纺织品建议系统的构筑及评价实验。构筑用感觉的用语及评价值的织物检索系统。用纺织品建议系统进行经验者的织物选择实验，表明有实用性。

关于服饰造型，对国际市场通用的服饰设计，在国内及意法美中进行设计制作，明确了彼此的差异。

研究时装衣料的制造工程的效果。收集实例，研究衣料制造时的工程裁量及其效果。

提出纺织品和纱的物性测定方法。提出织物形成研发曲面的范围指标，开发测定方法，研究其有效性。提出纱的泊松比测定法。模拟不同布制作的衣服，调查现有模拟器的再现度和设计有效性，提出布物性参数的设定法。

关于衣服设计及舒适性评价，显示纺织品物性和夹克衫随刚性增加的动作时压迫感高的部位和影响少的部位，发现舒适性和保形性的关系。研究用人体的立体数据的服型制作方法及用衣服模型的尺寸分档方法。

日本和中国的百货店的服装试样由两国的专家进行评价，发现两国的评价差异。

关于时装和服装的设计，需了解消费者和设计者的感性及其相互作用，也是今后的研究课题。

参考文献

[1] 高寺政行. 国际纤维工程学研究所[J]. 《纤维学会志》(日)，2015,71(7)：330.

[2] 金翼水. 尖端纤维研究部门[J]. 《纤维学会志》(日)，2015,71(7)：331-334.

[3] 大川浩作. 生物医疗纤维研究部门[J]. 《纤维学会志》(日)，2015,71(7)：335-338.

[4] 铃木大介. 智能纺织品研究部门[J]. 《纤维学会志》(日)，2015,71(7)：339-342.

[5] 高寺政行. 感性时装工程学研究部门[J]. 《纤维学会志》(日)，2015,71(7)：343-346.

收稿日期：2015-11-27