美国新型产业用纺织品与技术动态

刘树英

目前，美国产业用纺织品正在朝着高科技功能性及可持续性方向发展。例如将纺织品与微电子相结合，将生命体征监测技术与T恤相融合，实现心电图检测仪的植入，给用户提供监测和反馈，这是医疗与健身领域生命体征监测的一项重要成果；将培育出的碳纳米管“森林”用管轴碾成纳米管网，然后在其表面喷涂粉末，这些纳米管网随即旋转加捻成纱，再与棉或毛纱混织，形成导电性能优异的超导纺织品；采用纳米技术、磁功能技术、电子技术等技术与工艺生产的新一代纤维层出不穷；特别是采用仿生学技术在产业用纺织纤维制造领域应用遗传基因、合成基因、重组基因、转基因与基因鉴别等高新技术研究开发出了新一代功能纤维产品。

电子智能纺织品

弗吉尼亚理工大学纺织实验室主任汤姆认为：如今最令人感到兴奋的是产业用纺织品能够具备感知外界环境的变化或刺激并做出反应的能力，特别是传感器和计算设备整合成的纺织品可用于制造智能防护服装，以及医用和办公家具的外罩，它们能够感知我们的存在，监测我们的需求、动态以及健康，其市场需求潜力不容小视。

北卡罗来纳州立大学纺织研究单位率先从事开发以个人安全为目的的防御性功能成衣，研究重点是将纤维形电子装置与微片式仪器加入成衣纤维。该电子装置可显示穿戴者的正确位置，并能侦测出人体暴露在某种特定生化药剂中身体变化的情形。

Fab产业用纺织品公司与弗吉尼亚理工大学纺织实验室合作开发出了一种能持续监测穿着者心电图和心率的智能医护服。该产品是将纺织品与微电子相结合，将生命体征监测技术与医护服相融合，实现心电图检测仪的植入。与医护服相连的是一件轻巧的带有SD储存卡的测量元件，可方便地握于手中或置于医护服的口袋中。实时数据存储在SD卡中，然后通过蓝牙发送给笔记本电脑。这种移动设置使用便利，无须与固定的心电图测试仪相连，避免了繁多的连接线，可跟随穿着者灵活移动，监测能力提升，是医疗与健身领域生命体征监测的一项重要成果。

市场需要一种可以在同一时间执行多个应用程序的电子智能纺织品。美国麻省理工学院的科学家正在尝试把电话和电脑等电子装置嵌入服装。

最近美国普渡大学研制出一种内嵌传感器并能移动和伸缩的“机器人无纺布”。它们将会帮助未来的机器人获得拥有“触觉”的“皮肤”，也可成为增强人体力量和耐力的机器人外衣，以减轻飞行员和宇航员航行时受到的冲击力，还可能成为人类探索太空的得力助手。据该大学机械工程学教授丽贝卡·克莱默介绍，“这是利用缝纫技术，将柔性聚合物制成的传感器和记忆金属制成的线状驱动器缝进了棉质布料中，因此这项集驱动与传感于一体的技术具备了整合入现代纺织工业、进行规模化生产的潜力。”

在战场上受伤的士兵，由于失去知觉不能向指挥所发出求救信息，但是，他们穿在身上的军服则可以通过检测血液解决这一问题。美国密歇根大学利用纳米技术成功开发了可检知血液的导电性智能纤维，他们利用这种纤维织成的面料，制成的军服可检知血液，并通过传感器与战地医生监测健康。

另一种救治军服是美国乔治亚州科技学院研发的，能监测战场上军人的心率、呼吸、血压等数据，该项目由美国海军于2014年资助。研究人员把光电传到纤维织进衣服的布料中，通过这种纤维监测人的心跳和呼吸频率。军医希望通过这件衣服找到受伤士兵伤口的确切位置。当找到受伤位置后，光导纤维就会从一端向另一端持续发出光线信号。这种纤维还能与观察仪连接，如果衣服上的发射器与观察仪里的接收器不能接通，就显示这名士兵已经没有生命迹象了。

美国杜邦产业纺织品公司新研发出一种提高自行车手安全的Visijax通勤外套，该外套使用具有防水涂层聚四氟乙烯制成，其全面的通风性不仅能让穿戴者感觉凉爽，而且仿汽车风格的LED设置可以自动激活白色或红色指示灯可为自行车手们保驾护航。

南美的吉尔福德产业用纺织品公司正在与美国陆军部研制一种数字化智能军服。其外形和太空服一样，装有与士兵武器系统相连接的微型电脑显示器、个人局域网、昼夜激光瞄准感应仪与红外传感器装置，并且从头盔上翻下的小型显示器在黑暗中察觉生物体散热的活动目标。它不仅能接收个体或群体敌人与无人驾驶飞机拍摄的实时图像，还具有监控士兵心率、呼吸与情感状况的功能；而头盔显示器还可以为每个士兵提供一个阵地形势图，使他们即时掌握同伴以及敌人的位置。士兵在战场上请求火力支援，会像发一个E-mail一样简单。吉尔福德公司研究人员称，这种智能军服中装置的发光LEDs体、晶体、压力传感器这些用于复杂电子产品的零件可直接焊接到金属纱线上，这个工艺实际上并不太复杂。其他的电子设备还可用钳子等工具钉在布料上，当清洗布料时，这些设备又能轻易地取下，十分方便。

美陆军约翰森军事研究发展中心从2016年开始将实施一项称作“WCBP-ICP”专项计划，发展能迷惑热探测器的隐身作战服。穿上这种WCBP-ICP隐身军服，在可见光条件下，敌方目视难以发现，可以神出鬼没，如入无人之境。因为这种“隐身衣”采用温控变色纤维与光敏变色纤维进行皮芯复合和接枝聚合制成，使这种成衣有多种色调、亮度与图案的变形效果。于是着装者的形象与轮廓会发生种种变形，从近距离看是明暗反差较大的迷彩，从远距离看其细碎的图案与周围环境完全融合，即使在活动时也不会被肉眼发现。

美国空军装备部与特凯卡公司正在研制一种“锁弹甲军服”，这种军服能防炸弹破片和普通枪弹以及7.62mm穿甲弹，还具备生化解析与防护能力。其关键技术是在制作军服的特种纤维中掺入了大量利用纳米技术生成蛛丝式微型结构的新型功能纤维。研究者披露：通过纳米技术在这种特种纤维织造中生成的蛛丝式微型结构是多功能的，它可以设计成自动弹起式屏幕来保护士兵，或设计成能释放生物武器的解毒剂，使士兵免受飞弹或生化攻击的伤害。

IFAI负责人曼弗雷·德科勒指出：我们的产业用纺织品正在朝着不可想象的智能化方向发展。今后将研制的数字服饰是：柔软的屏幕就像丝绸一般爽滑和亮丽，小巧的按键类似扣子一样精致，还有设计成装饰品的光电池，被淡化成一只口袋或者一片缀饰。数字服饰的目标是“增强现实”，即加强现实世界与虚拟世界的结合，它就像是给现实世界的正常景象加上了一个菜单，人们通过这个菜单，无论何时何地都可以自由沟通信息。

细胞增大剂纺织品

所谓细胞增大剂纺织品，其特性与我们的直觉相反，这种物质被拉伸的时候不会变细而是变粗。也就是说，它们具备拉伸时变宽而挤压时变窄的负的泊松比。这种材料还具备其他一些有用的性能，包括高断裂韧度、抗压缩和能量吸收、通过拉伸变粗提高防爆性能等。因此，它在许多领域存在着潜在的应用，如：防弹衣或头盔，以及抗冲击产品等等。在产业与军需的纺织品开发中，美国有多家公司正在竞相开发应用细胞增大材料。

美国高新技术纺织品公司最近采用细胞增大材料研发出一种为糖尿病患者设计的压缩医疗罩服，可以减轻患者在手术中或手术后凝血的危险。据该公司总经理沃纳·伍尔夫介绍，他们将用于压缩力度与凝血性状传感器融入到了纺织品中；不仅如此，该产品还使用了有细胞增大剂材料的纺织品，当你拉长医疗罩服时，将得到较小或较薄效应（正泊松比）；因此在应用中可以控制其织物每米动的次数以及角度，即可操纵织物的压缩运动达到医疗保效果。

细胞增大剂材料的纺织品另一特性是在受力时以一定的方式创建出一个负的泊松比（泊松比是材料横向应变与纵向应变比值的绝对值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数）。最近美国吉尔福德公司采用细胞增大剂纺织品开发出了一种新型防护服，这种防护服包裹着弹性体，在救护场所或抢灾使用中受到压力作用时，它是可以在富有弹性的变形中动起来；而且其体积扩大后，依然能够缓解能量，且不会失去完整性，达到用途奇特的效果。

大多数防爆材料无法抵挡多种形式撞击或多重爆炸冲击波的能量，然而利用细胞增大剂纺织品则可以达到使用目的；因为细胞增大剂纺织品在爆炸中，形态规模会迅速扩大而变“胖”，受到伸展力时则会变厚，可抵抗多种形式撞击或多重炸弹冲击波，然后又回到原来的状态。目前美国中央研究中心与吉尔福德公司合作正在研发采用细胞增大剂纺织品的防爆服、防爆头盔、防爆手套和防爆靴子等。这类新产品在民用方面主要是为了户外运动者设计，但是也可以为军队设计，这也就意味着其市场前景相当乐观。

碳纳米管材料

碳纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2nm～20nm。碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外，五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅形和螺旋形三种。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。

在得克萨斯大学纳米技术中心与DuPont产业纺织品公司联合研发中，该中心首先培育出一片碳纳米管“森林”，用管轴将其碾成一个50纳米厚的纳米管网，然后在其表面喷涂粉末。纳米管网的空隙困住了粉末，使其无法自由行动。这些纳米管网随即旋转加捻成纱，再与棉或毛纱混织，形成导电性能优异的超导纺织品。它不仅耐洗耐揉搓，还拥有自洁功能。

北卡罗来纳州立大学纺织品研发中心负责人达纳·卡洛特拉瓦博士认为：由于纳米纤维具有惊人的潜在应用，致使碳纳米管的研究最近受到了大量关注。该研发中心与美国Fab 产业用纺织品公司合作，在碳纳米管薄膜缠绕的过程中，通过喷雾法引入聚合物，制备的聚合物复合材料碳纳米管含量高，管径细而均匀（10nm～16nm），并且粗产物数量较多。该复合材料呈现出比碳纤维复合材料更优异的力学性能和导电性能。其可在国防、航空航天、空气和水过滤等领域使用。

碳纳米管拥有非常优秀的导电性能。通过控制碳纳米管的尺寸与结构，可使得它们的导电性能与金属或半导体相媲美。斯坦福大学的研究小组与杜邦公司合作，先将碳纳米管制成“墨水”，再将织物浸泡于这种“墨水”中，由于碳纳米管附着于织物表面，交错的纤维为电流形成导电的通路，使织物呈现出良好的导电性能。即使将织物折叠、弯曲或是洗涤，碳纳米管也不会脱落。这种新型智能织物可以储存能量，可用作“纺织电池”，其质轻价廉，可迅速充、放电。

碳纳米管巴基纸

大多数材料在被拉往一个方向时，另一方向就会变薄，这类似于橡皮筋被伸展时的表现。但是被称为“碳纳米管巴基纸”的材料在伸展时可增加宽度，在均匀压缩时长度和宽度均可增加泊松比的横向变性系数。生产这种优异材料的方法是：首先将碳纳米管材料分散在适当的溶剂中，然后用机械搅拌。接着对溶液进行过滤，最后产生的织物通常被称为“巴基纸”。

得克萨斯州大学纳米技术研究所研究人员将单壁碳纳米管和多壁碳纳米管混合体的纤维稀浆干燥化，制造出了纳米管薄膜（巴基纸）。这种稀浆是。研究人员发现，增加巴基纸中的多壁碳纳米管数量可将泊松比从大约正0.06急剧转变为负0.20量级。这种巴基纸的重量只是普通纸的十分之一，但是如果把一摞巴基纸压制成一种复合材料，它的强度可能是钢的500倍，而且如黄铜或钢那样驱散热量，并如铜或硅一样可以导电。它是防火、导热、暴露电荷、抗电磁干扰、传感过滤和种植生物组织优良材料。

佛罗里达州立大学复合材料先进技术中心研究人员最近利用磁性排列技术与抑制效果工艺研发出一种由碳纳米管做成的新型巴基纸——超级复合纤维材料，该材料比钢强、比金刚石硬，并具有优异的导热、导电性，极好的透光性，极高的硬度和强度。据该中心王本教授介绍：结构不稳定是巴基纸应用的主要问题，我们采用磁性排列技术将碳纳米管置于强磁场中，碳纳米管就会按固定方向规则地排列，这样就可以使巴基纸的结构更加稳定，从而增加了强度。碳纳米管应用的另一个难题也曾困扰我们多年，由于碳纳米管表面极为光滑，很难把它们粘合在一起。现在采用抑制效果工艺就迎刃而解了，即在碳纳米管表面制造一些微小凹陷的方法，利用这些人为制造的凹陷，碳纳米管就更容易被粘合在一起，当然要适当控制凹陷的数量，不能太多。据试验结果表明，这种超级复合纤维材料将在多种用途上表现出巨大潜力，包括飞行器结构件、更好的装甲板和装甲车，以及下一代结构的计算机显示器等。

Fab产业用纺织品公司的科研团队采用抽滤法制备了多壁碳纳米管巴基纸纺织材料，成功拓展了纳米材料“巴基纸”使用范围。研究人员发现，含有单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的碳纳米管薄膜与单纯由单壁碳纳米管或多壁碳纳米管组成的碳纳米管相比，强度-重量比、弹性模量-重量比和刚度分别提高了1.6倍、1.4倍和2.4倍。这项发现意味着，通过混合不同类型碳纳米管所增强的特性也可能延伸到纳米管薄膜和其他纳米管阵列。同样，这种泊松比的调节能力也可用来设计基于纳米管薄膜的复合材料、人工肌肉、密封垫、应力和应变传感器及化学传感器。

纳米粒子材料

纳米粒子是指粒度在1nm～100nm之间的粒子（纳米粒子又称超细微粒）。属于胶体粒子大小的范畴。纳米粒子区别于宏观物体结构的特点是，它表面积占很大比重，而表面原子既无长程序又无短程序的非晶层；而纳米粒子内部的原子则呈有序的排列。纳米粒子的这种结构特征使它具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，其优异特性可以用作纳米粒子作为永久磁体材料、磁记录材料、磁流体材料、能量转换材料、信息传递材料和红外吸收材料等。随着制备纳米材料技术的发展和功能开发，会有越来越多的新型纳米粒子材料在众多的产业与高科技领域中得到广泛的应用。

吉尔福德产业织物公司与美国陆军凯德尔研究所合作利用纳米粒子技术发明了有自洁功能的布料。这种新技术用微波将仅有十亿分之一米宽的高纯度陶瓷微粒粘在纤维上；这些纳米粒子防水、防油、防细菌；并具有坚硬、耐磨、耐高温、耐腐蚀性能。据吉尔福德产业织物公司介绍，用这种新型纤维材料不仅能制作功能优异的粒子战衣、盔甲等军用纺织品，而其络合物则能做出柔软的在冲撞中变硬的头盔与防弹衣。

一直为军工、航空与航天提供产业用纺织品产品的美国吉尔福德产业织物公司，最近研制出一种能自动发电的新型纳米粒子纤维材料。这种材料由于比头发丝还细的纤维附有极微小的自动发电“纳米线卷”，只要受到拉扯、摩擦或微风吹拂即可自行发电。该发明负责人杰尔德·爱德瓦尔介绍：这种粒子纤维采用了新型粒子络合技术，即把凯夫拉合成纤维放入化学溶液中，在纤维丝上粘上磁性Fe203纳米微粒与Cr系合金纳米粒子。这两种粒子在纤维丝上受到磁力的作用会径向生长，“长”出直径仅为头发1/1800具有发电机能的纳米线卷。借助这种“纤维纳米发电机”，人体在心跳、行动与走路等运动时都能转化为电能，而且无排放、无污染，堪称最具潜力的“绿色发电”。用这样的纤维制成的织物，每平方米的输出功率可达80毫瓦，足以驱动一部iPod随身听或者为一块手机电池充电。因此，它可以用于远足者或者士兵的野外活动，也可以为生物医学或环境监测中的微型传感器提供电能。用这种新型纳米纤维材料可制造利用人体运动来发电的衣服、鞋和生物植入物（如起搏器）等而且在生物技术、纳米器件、个人便携式电子设备以及国防技术等领域的应用开拓了更为广阔的空间。

基因技术材料

基因技术材料范围涉及DNA的材料设计、性能—结构关系、制备和应用等领域，主要包括基因与天然生物材料性能的相互关系，基因重组丝蛋白及聚酯高分子等基因工程材料，基因作为材料组元或控制模板材料等，它在组织工程、生物医用、现代农业、军工与航天等产业用材料领域具有广阔的应用前景。

美国杜邦公司正着力于运用生物工程技术来大规模仿造蜘蛛丝。他们首先用先进的计算机模拟技术建立蜘蛛丝蛋白质各种成分的分子模型，然后运用遗传学基因合成技术将遗传基因植入酵母菌或细菌，利用工业发酵的方法使这种微生物在繁殖过程中大量产生类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。通过这种方法产生的仿蜘蛛丝蛋白质，其溶解后抽出的丝，具有质轻、强力好、有弹性等特点，纤度可达真丝的1/10，强度是相同纤度钢丝的510倍。

自从1997年美国生物学家安妮·穆尔发现“黑寡妇”蜘蛛能分泌出比制造防弹背心的芳纶纤维的强度还要高得多的蛛丝蛋白后，美国科学家与多家产业用纺织品公司对此进行了多层次试验研发，先后将蛛丝蛋白基因注入动物胎盘内进行特殊培育的筛选有奶牛、山羊、鼯猴和树懒等，但是一直未能获得令人满意的应用成果。最近，美国生命科学研究院与国防部装备研究所合作研究发现，将南美洲雌性霸王蜘蛛分泌的蛛丝蛋白基因注入袋鼬的胎盘内进行特殊培育，再转基因袋鼬分泌的奶液提炼生产蛛丝蛋白纤维，具有产能较高的效果。据报道，这种袋鼬奶蛋白纤维既保持了雌性霸王蜘蛛蛛丝纤维的精美和柔韧，其强度又比钢强度大10倍，因此被称为“霸王蛛鼬钢”。现在美国生命科学研究院与国防部装备研究所已经启动这一研发项目，准备培养繁殖大量转基因袋鼬，以满足大规模生产“霸王蛛鼬钢”的需求，以便用以制造防弹背心、轻量型头盔、降落伞绳等。

将蜘蛛丝基因移植入植物，能培育出能够产生蜘蛛丝蛋白的转基因植物。美国联邦农业科学研究院（FAAS）的科学家们通过大量的工作，用生物化学方法对蜘蛛丝蛋白和腺体分泌物进行了研究，分离了蜘蛛丝蛋白基因编码的核苷酸序列并建立了数据库。同时，FAAS科学家还利用DNA合成技术成功地建立了不同植物蛋白片段的基因序列模型，用这种模型可制造出一种“蛛丝蛋白/植物蛋白合成基因”模型系列，利用这种基因可生产出96.1%的基因序列与天然植物蛋白相同的产品。例如FAAS科学家与杜邦公司正在合作的“2015～2020合成基因技术材料计划”，目的是将蜘蛛丝基因移植到茄科属植物的烟草、金杯藤与龙葵基因中，使得烟叶或龙葵在生长时除了可以生产尼古丁外也可以生产蜘蛛丝蛋白，随后可利用急速冷冻破碎、煮沸等方式制取含蜘蛛丝蛋白的纺丝溶液。

纺织品伪冒向来是美国政府打击的重点对象，据官方统计，美国每年合法进口的纺织品金额高达700亿美元，而通过走私手段进入美国的纺织品每年估计为20亿美元，民间纺织业者对后者的估计甚至高达80亿～100亿美元。现在受美国联邦商务部指定，美国应用DNA科技公司所销售的DNA鉴定技术，已经作为美国海关及纺织业者对付伪冒的工具。该技术是从纺织厂取得纤维的基因密码，然后将其放入在可与纺织品相容的液体当中。在整体供应链的任何一环只要手持扫描器，便可判读出合法产地及制造厂商。

（摘自美国杂志《产业投资》2016年1月号，原文作者：美国国际产业用纺织品协会首席顾问恩里克·卡洛特拉瓦）