智能纺织纤维材料的应用研究

丁 帅，万 艳，李胜凯

(1.山东省纺织科学研究院，山东 青岛 266032； 2.山东省特种纺织品加工技术重点实验室， 山东 青岛 266032； 3.青岛市产品质量检验技术研究所，山东 青岛 266000)



智能纺织纤维材料的应用研究

丁 帅1，2，万 艳3，李胜凯1

(1.山东省纺织科学研究院，山东 青岛 266032； 2.山东省特种纺织品加工技术重点实验室， 山东 青岛 266032； 3.青岛市产品质量检验技术研究所，山东 青岛 266000)

智能纺织品作为高技术、高附加值的纺织产品，代表着未来纺织行业发展的方向，智能纺织纤维材料是发展智能纺织品的基础。本文详细介绍了目前智能纺织纤维的种类、功能及原理，着重介绍了热能存储纤维、电子纤维和智能纺织材料三种智能纤维特性及应用，为相关研究人员、科研机构及企业提供一定参考。

智能纺织品；热存储纤维；电子纤维

1 引言

智能材料不再是只存在于科幻电影中的想象，而是真实的材料，已经应用于我们生活的各个方面，它能够对感官和周围环境做出相应地反应，实现智能调节。智能材料有很多种类，包括热调节材料、形状记忆材料、含铬材料、发光材料、传导材料、光电池材料、薄膜材料和应用于军事上的智能材料[1]，这篇文章主要探讨了智能材料在纺织方面的应用。

智能纺织材料能够对感官和环境条件做出反应，针对机械、热、化学、电能或磁等刺激实现不同的功能。不断革新的技术和不同领域的需求会推动智能材料的发展进入新的阶段。根据智能材料的不同功能，可以将其分为4类：被动智能材料即只能对环境条件起反应；积极智能材料即能够感知或者对刺激和特定条件起反应；聪明材料即能够根据条件感知、反应或者调整自己；智能材料即能够反应或者激活一定功能。

目前的智能材料必须配有感应器等将物理信号转化为电信号的电子元件。传统的感应器或者测量器由于机械构造和元件组成的原因不与纺织材料相匹配，随着科技迅猛发展，新一代感应器已被研发出来。感应器的五个主要功能是：感应、数据处理、执行机构、存储和交流。

图1 智能纺织材料的工作流程

2 执行系统的概念

感应器像神经系统一样检测信号，并且纺织品本身也可作为感应器。处理器分析和评估信号，执行器据此做出动作。系统的协调工作可以实现使材料运动、加热、发出声音、释放物质或执行其他操作。

智能纺织纤维材料特点在于可以从不同层次引入，可以引入到纤维层或涂层，其线材可以设置在纺织材料中，紧密连接独立应用元件。大多数元件会将信号转化为电信号，电导材料对于智能材料是至关重要的。因此，研究人员应致力于以下领域的探索：光敏材料、光学纤维、传导聚合物、热敏材料、形状记忆材料、智能涂层、化学反应材料、微胶囊和纳米材料[2-3]。

3 应用于智能纺织的纤维材料

3.1 热存储纤维

3.1.1 原理

在加热过程中，任何材料都会吸收热量而温度升高。在反向降温过程中，材料吸收的热量将会释放到环境中去，在这个过程中，材料温度不断降低。正常的纺织材料吸收热量的速率为1 kJ/kg ，温度上升1℃。比较而言，相变材料在融化过程中吸收的热量大大增加。相变材料的温度在结晶过程中不变化，其在融化和结晶过程中，虽有大量热能传输，但并没有温度的变化，这一点使得相变材料非常适合存储热能。石蜡相变材料融化状态下，吸收热量的速率大约是200 kJ/kg。对于其它纺织材料，若要吸收等量热量，温度将会升高176.85℃。石蜡在融化过程中吸收的高热能在冷却过程中可以从结晶温度开始，释放到周围环境中。很明显相对于常规纺织品，在纺织品中加入石蜡，能大大提高纺织品的储热能力。在完全的融化过程中，石蜡的温度和周围环境保持一致。应用于纺织品中的石蜡是固体或者液体。为防止石蜡溶解，可将它们置于只有几微米大小的塑料胶囊中，这些胶囊因此也称为相变材料微胶囊。石蜡微胶囊化以后可以永久锁定在丙烯酸纤维中或者涂抹在织物表面[4]。

图2 热能调节材料

3.1.2 应用

服用性好的衣物应该能够在穿衣者运动时，使身体产生的热能和散发到环境中的热能之间达到平衡，普通纺织材料做不到这一点，穿衣者在运动中所产生的热量不能全部散发到环境中，造成热能堆积。如果穿衣者接下来休息，由于身体产生的热能大大减少，穿衣者又很可能陷入低体温的境况。热存储纤维此时就显示出了独特的作用，当身体产生大量热能时，可以将这些热能收集起来，当人体处于相对静止的时候时，又将热能释放出来，在以人体为中心的小环境中达到热能平衡。

3.2 电子纤维

3.2.1 性能

电子纤维主要由两种组成，第一种电子纤维是将二极管、晶体管和太阳能电池等现成的电子元件直接编织到纺织品中，称为纤维电子件。第二种是传统电子元件与纤维共同使用，例如集成电路、导线、LED和织造在服装中的传统电池，这是最常见的一种电子纤维产品。

将电子纤维应用到医学领域，可以监测病人的血压、脉搏和体温等指标。目前，研发人员已经开发出一种智能监测服装，不但能够准确读出穿戴者的各种体征指标，还能将这些数据和GPS定位一起发到信息中心。这样，如果病人遇到紧急情况，信息中心就会通知急救中心，并告知具体病情，使病人能够第一时间得到救治[5]。通常情况下，会在智能服装的腋窝位置安装灵敏温度传感器，读数实时同步显示在一块腕表上，方便穿戴者自己随时了解身体状况。

传导纤维是一种新型电子纤维，在信号传输方面应用广泛，效果良好。以欧旦纱,又名柯根纱为例，可将其覆盖在丝织物的表面。纬纱是丝绸缠绕在细铜箔上，经纱是平纹丝绸，这种结构类似于导线外面包裹了一层胶布，传导性非常强。丝绸有张力很高，能承受与机器摩擦产生的高温，纤维之间的空隙使织物好像是一条一条的“电缆”，以实现其功能性。

3.2.2 应用

walkie-talkie—步话机服饰是将音频传输系统用魔术贴或者其他方式固定在衣服表面，并在恰当的位置安装好发射器和接收器，它们可以分别用来发射和接收信号，两者距离越近，所产生的信号越强。电能提供采用9 V电池，衣服里面的金属纤维当做“导线”，此时，步话机服饰就可以实现其功能。

3.3 智能纺织品

3.3.1 智能纺织品与医疗保健的紧密联系

医护领域需要使用大量的药物保健功能纺织品，因此这是高附加值尖端纺织品的用武之地。目前，在医护领域已经出现并且得到应用的一项发明就是“可穿着计算机”。还有一种传导纤维，可以通过发射器把感应信号发送到一个带有接收器的智能衬衣。这些智能服装可以与因特网相连，并且显示、分析、记录、存储、传输生理数据，便于医护人员精准掌握穿衣者的健康状态。

现在人们普遍要面对新的问题：生活期望值的提高，人口老龄化，让残疾人更好地融入到社会生活中和不断增加的慢性病。控制疾病也就变得非常重要。据统计，70%～80%的死亡病例都是因为七大疾病：心脏病、癌症、糖尿病、关节炎、慢性支气管炎、流感和哮喘。对于这些疾病，早期干预是非常有效的。因为早期干预的医疗成本非常昂贵，所以可穿着的电子元件和智能纺织品的重要性就浮现出来了。智能服装可以长期监控穿衣者的健康状态，并且不干扰穿着者的正常生活，因此可以解决许多困扰，比如脊椎有伤的病人，感知困难的人，居家老人或者小婴儿。由于它价格相对低廉，能与穿衣者很好地融合，所以发展前景非常广阔。智能衣物可以把穿戴者的生理指标实时远程地发送给监测中心，医务人员可以根据这些数据准确掌握情况，并在必要的情况下开处方药[6]。

由于穿戴医用智能纺织品的客户多为有特殊需求的病人，所以智能纤维除了要有传统纺织品的吸湿、透气和环保功能以外，还需要符合其他的特殊要求。智能纤维的原材料在成分、耐穿性、织造方式、强力和色牢度等方面要符合国家相关标准，目前应用的纤维主要有色谱纤维、传导纤维和记忆存储纤维等。

3.3.2 应用

智能纤维纺织材料在医用护理方面上的应用非常广泛，也非常有必要。主要有三方面的作用，即感应作用、传输作用和执行作用，其中最常见的应该是感应作用、传输作用。相对于传统纤维，智能纤维材料特殊，不仅要具备传统服装的舒适和耐穿特性，还需要一些特殊的、有针对性的维护，这样才能保证智能原件对身体的不同信号做出准确、灵敏的反馈。另外，很多智能纤维还可以作为“存储U盘”，保存生理指标数据，以便于日后分析。

4 结论

新型智能化纺织品是高科技功能型纺织品。它可以提高生活质量、增加产品附加值、改善劳动条件、满足特种行业需求，势必将更多地出现在应用市场上。同时，由于此类产品日益引起人们的兴趣，必然会促进消费，推动消费引导型经济不断向前。开发智能型纺织品需要染、整、纤维、剪、裁、缝、纺、织的全面配合和多学科的共同作用。将来一定会有更多的科技人才涌入到这一全新领域，使人们的生活发生翻天覆地的变化。

[1] 庾莉萍.金属纤维特性及其开发应用[J]. 金属制品，2009， 35(3)：45—49.

[2] 杨晓，刘妍.金属纤维混纺织物力学性能研究[J].青岛大学学报(工程技术版)，2008， 23(1)：18—20.

[3] 胡志波，武继松，蔡少林.导电纤维及其抗静电织物设计[J].陕西纺织，2011，(1)：58—59.

[4] 金永良.金属纤维的性能特点及产品开发[J].棉纺织技术，2003，31(5)：28—31.

[5] 石风俊，郑德均.金属纤维混纺屏蔽织物屏蔽功能[J].纺织科技进展，2006，(3)：37—38.

[6] 王建忠，奚正平，汤慧萍，等.金属纤维电磁屏蔽材料的研究进展[J].稀有金属材料与工程，2011，40(9)：1688—1692.

Research and Application of Intellectual Textile Fiber Material

DingShuai1,2,WanYan3,LiShengkai1

(1.Shandong Textile Science& Research Institute, Qingdao 266032, China; 2.Shandong province key laboratory of special textile process technology, Qingdao 266032, China; 3.Qingdao Product Quality Inspection Institute, Qingdao 266000, China)

Intelligent textile is high technology and high added value product, it represents development direction of textile. Intellectual textile fiber is the basis of developing intellectual textile. In this paper, types, function and principle of intellectual textile were summarized. Characteristics and applications of thermal storage fiber, electric fiber and intelligent fabric material were particularly presented. It provides references to relative researchers, research institutions and enterprises.

intelligent textile; heat restore fiber; electric fiber

2017-03-15

丁 帅(1978—)，女，山东青岛人，高级工程师。

TS102.52

A

1009-3028(2017)03-0054-03