智能纺织材料的概述及其应用

2018-03-20陶世嘉卢婷婷上海工程技术大学服装学院

时尚设计与工程 2018年3期

陶世嘉，刘茜，卢婷婷，上海工程技术大学服装学院

1 智能纺织材料

目前智能材料蓬勃发展，智能纺织材料的研究与开发也紧随其步伐。智能纺织材料将高技术传感器或敏感元件与传统结构材料或功能材料结合在一起，在现有纺织品的功能化和智能化基础上进行组合设计。随着人们生活水平的提高及人们对个性化、智能纺织品需求的增长，智能纺织材料的发展前景不可估量。

1.1 概述

材料的发展主要经历了以下几个阶段：结构材料—功能材料—智能材料—模糊材料。1989年，日本高木俊宜教授将信息科学融于材料构性和功能之中，首先提出智能材料（Smart Materials）概念。智能材料是一个由多种材料系统组元通过有机、紧密或严格的科学组装而构成的一体化系统，是敏感材料、驱动材料和控制材料（系统）的有机合成。其显著特点是将高技术含量的传感器和执行元件与传统材料结合在一起，赋予材料新的性能，使无生命的材料具有越来越多的生物特有的属性。

因此作为智能材料必须具备以下特征:

（1）感应（Sense）：智能材料的第一特征是对环境有感应，对环境因素变化敏感，并能及时反馈，给出下一响应。

（2）识别（Indentification）：在材料感应环境变化后，自身能进行识别，对影响因素能加以区别，以便进行下一步动作。

（3）调控（Adjust）：在感应和识别之后，智能材料能够对环境的变化调整自身的条件或进行修正，以便适应因环境变化带来的影响。

随着人们生活水平的提高以及特殊行业对纺织品要求的不同，传统纺织品所具备的简单功能已难以满足人们的要求，使用范围相对较广且更具有功能性的智能纺织材料应运而生。它不仅保留了纺织材料原有的风格和性能，还能对感官和环境条件作出反应，针对机械、热、化学、电能或磁等刺激实现不同的功能。

智能纺织材料是将智能材料以织造或整理的形式加工或引入纺织品中，从而开发出能够满足用户需求的智能纺织品。它除了具备普通纺织材料固有风格和服用性能外，还能感知环境变化，并能实时改变自身的一种或多种性能参数，做出与环境相适应的自我调整，是一种新型材料。近年来，智能纺织纤维正以异乎寻常的速度发展，并且具备了越来越多的功能特征，诸如形状记忆、蓄热调温、变色、调温和调湿、选择性抑菌、防水透湿、阻水隔热、拒水防污自洁、消臭吸臭、电子信息智能等。

1.2 分类

智能纺织材料由于应用领域十分广泛，使其种类繁多。目前，市场上大致有三种常用的分类方法。按照其智能属性，可分为物理型、化学型、分离型和生物型四大类；按照其对感知和相应状态的不同，可分为被动智能型、主动智能型和非常智能型三大类；按照其用途可分为衣料用、装饰用和产业用三大类。

1.2.1 按照其智能属性分类

（1）物理型智能纺织材料。纺织材料的智能产生于其形态、热学、光学、电气、电子等物理性能参数的变化或转化，如蓄热调温纺织材料的保温，就是通过中空纤维中孔填充的相变材料或者纺丝时加入的微胶囊中所包裹的相变材料的吸放热来提供热调节，为人体提供舒适的微气候环境。

（2）化学型智能纺织材料。纺织材料的智能产生于其有机化学、光化学反应的效应，如光敏变色纺织材料，它具有一种特殊组成或结构，在受到光或辐射的外界刺激后能够强逆性自动改变颜色。

（3）分离型智能纺织材料。选择具有分离性、吸附变换等效应的智能纺织材料，如活性炭纤维能吸附环境中的有毒物质，用于净化水质、吸附血浆中的有毒物质；

（4）生物型智能纺织材料。具有医学、保健、生物等智能纺织材料，如由防护类材料研制的防X线轻型服装、防中子服装、防电磁辐射服装等，都是根据特定的目的，运用纺织医学和化学等学科交叉手段开发出来的。

1.2.2 按照其对感知和相应状态分类

（1）被动智能型材料（Passive Smart Materials）。对外界条件和刺激仅能感知，如压电材料、光导纤维、电流变体、磁流变体等，能感知外界刺激并有传感作用，但无自动调节功能。

（2）主动智能型材料（Active Smart Materials）。具有传感器与执行器的作用，不仅能感知外界环境的刺激，并能对刺激做出响应以与特定的环境相协调。如形状记忆材料、光热致变色材料、相变材料等。

（3）非常智能型材料（Very Smart Materials）。又称适应型智能材料，是目前最先进的智能材料。它是传统与功能的结合，工作起来犹如人的大脑或便携式计算机。它们除对外界环境刺激能感知和响应外，还能自动调节以适应外界环境的条件和刺激。随着科学技术的进步，纺织与其他科学，如材料科学及结构机械、传感、通信、人工智能、生物等的先进技术相结合，使非常智能型纺织品的开发成为可能。

1.2.3 按照其用途分类

（1）衣料用智能纺织材料。纺织材料是服装的物质载体，是用来体现设计思想的物质基础和服装制作的客观对象。近年来，智能服装、安全服装以及功能服装等新型服装的兴起，对纺织材料提出了更高的要求。衣料用材料是指对外界环境或内部状态所发生的变化具有感知并能做出响应．同时保留服装材料固有风格和服用性能的材料。通过对环境的变化做出响应，衣料用纺织材料和结构实现了材料的自变形、自诊断、自适应、自修复以及传感、反馈等功能。

（2）装饰用智能纺织材料。一些特殊的智能材料如光致变色纤维、热致变色纤维和温敏变色纤维及其组元系统，已被逐渐应用在床罩、灯罩、浴罩、窗帘、汽车内饰等装饰领域，并且显示出良好的前景。

（3）产业用智能纺织材料。作为新兴纺织业的重要构成部分，它不同于一般的服装用、家用纺织品，而是指经过专门设计的、具有工程结构特点的智能纺织品，具有技术含量高、产品附加值高、劳动生产率高、产业渗透面广等特点。目前，产业用智能纺织品已被广泛应用于医疗卫生、环境保护、交通运输、航空航天、新能源等领域。

1.3 市场化程度较高的智能纺织材料

虽然各国研究者均热衷于智能纺织品的研发，但目前尚处于探索阶段，有关技术多未成熟，研发难度也比较大，成熟产品更少的问题依旧存在。目前研发相对成熟的有相变蓄热保温纤维、形状记忆纤维、智能抗菌纤维、电子信息类纤维和变色纤维等智能纺织材料，且其市场化程度也较高。

1.3.1 相变纤维

相变纤维是指利用物质相变过程中释放或吸收热量的特性开发出的一种蓄热调温功能纤维，可分为无机型、有机型和复合型3种，其加工方法有浸渍法、复合纺丝法和微胶囊法。

调温纤维能根据外界环境温度变化，伴随纤维中所包含的室温相变物质发生液—固可逆相变，或从环境中吸收热量存储于纤维内部，或放出纤维中存储热量，在纤维周围形成温度相对恒定的微气候，从而在一定时间内实现温度调节。由蓄热调温纤维加工成的纺织品除具有常规纺织品的静态保温作用外，还具有由于相变物质的吸放热引起的动态保温作用。

1.3.2 形状记忆纤维

形状记忆纤维是指在一定条件下发生塑性形变后，又在特定刺激条件下能恢复初始形状的纤维。包括形状记忆合金、形状记忆水凝胶和形状记忆高聚物。目前具有使用价值的形状记忆合金为镍一钛系合金、铜基合金和铁基合金，其中镍一钛系合金综合性能最佳。而铁基合金由于在成本和加工难易程度等方面具有显著优势，已逐渐成为市场上的一个研发热点。形状记忆水凝胶纤维主要有温度响应型和水分响应型两种类别。形状记忆高聚物纤维主要有聚降冰片烯、交联聚乙烯、聚氨酯、聚酯和含氟高聚物等种类，其中形状记忆聚氨酯纤维因具有易激发、形变量大、质量轻、成本低等优良特性而被广泛应用。

1.3.3 智能抗菌纤维

人体皮肤表面生长有各种各样的细菌,皮肤表面细菌过多或完全没有细菌,都会引起各种各样的问题,如过敏、产生臭味或生病等。智能抗菌纤维具有抗菌杀菌功能，可防感染和传染，因而它在医疗卫生领域有广泛的应用。其有两种制作方法。混入型的制法是将含银、铜、锌离子的陶瓷粉等具有耐热性的无机抗菌剂，混入聚酯、聚酰胺或聚丙烯腈中进行纺丝而得；后处理型是将天然纤维用季铵化物或脂肪酰亚胺等有机抗菌剂浸渍处理制得。

1.3.4 电子纤维

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、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、导线和LED等，这是最常见的一种电子纤维产品。

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。丝绸张力很高，能承受与机器摩擦的高温，纤维之间的空隙形成“电缆”，以实现其功能性。

1.3.5 变色纤维

变色纤维是能随外界环境的变化而可逆改变颜色的变色智能纺织品，是一种可根据外部刺激辐射颜色、擦除颜色或仅仅是改变颜色的物质，可分为光敏变色材料和热敏变色材料。

光敏变色材料是一种广泛使用的、可逆的、不稳定的有机分子材料，其分子构型会随着特殊光照的影响而改变，其分子排列会影响对光谱的吸收，直至影响颜色。在纺织品上的应用也已扩展到流行领域。

热敏变色材料是属于受到热刺激而改变颜色的材料，尤其是热敏变色材料在染色时颜色的改变必须遵循严格的温度。已成功应用在纺织品领域的两种热敏变色材料系统是液晶型和分子重排型。这两种材料就像颜料黏在树脂上一样使染料深嵌在微胶囊中，从而应用在服装面料上。液晶型热敏变色材料可根据液晶的不同有选择地反射光，反射光的波长受液晶折射指标以及分子中螺旋状排列间距的影响。由于间距的长度受温度变化的影响，反射光的波长也在改变，也就发生了颜色的变化。热敏材料的变化意味着颜料分子结构的重排。这也是温度变化产生的结果。通过分子重排的热敏效应在染色方面的应用尽管早已引起相当程度的商业兴趣，但所有在颜色方面的变化原理还远远不清晰，仍然非常需要拓展思维。

2 智能纺织材料的应用

智能纺织材料的发展要求多学科的交叉运用，其加工技术日新月异，给智能纺织品的发展带来了新的契机。它们不仅能满足如军事、医疗健康、航天航空、生物医学等特种行业的需求，而且在人们日常生活中的应用也越来越广泛。

2.1 军事领域

智能纺织品广泛应用于军事领域对促进军事技术的发展具有非常重要的作用。军事领域对于智能纺织品的应用主要表现在纳米“隐身”军服、士兵型抗浸服、军用智能帐篷以及智能降落伞等几个方面。

美军开发的采用电致变色光敏材料的变色伪装系统，采用可对电场变化做出响应的液态染料和固态颜料混合物填充到中空纤维中或改变光纤的表面涂层材料,其中噻吩衍生物聚合后特有的电和溶剂敏感性受到格外重视。电场变化由配有电脑的摄像头根据周围环境的不同而产生，这样由染料和颜料混合物共同决定的颜色就会发生改变，于是该系统便会根据士兵周围的环境而产生不同的伪装效果。

2.2 医疗健康领域

在医学领域对患者的诊断需要大量的观测数据,而生物传感器可测定如温度、声音、超声波、运动、压力和辐射等参数，因此这些带有生物传感器的智能服装得到了应用。将塑料光纤传感器和电子传导纤维编织而成的“智能T恤”来探测心跳、体温、血压、呼吸等生理指标。它能将患者的流血或伤口愈合情况准确地告知医生以协助治疗。由美国Bio-Key公司开发的智能绷带将多种传感器植入织物，可以探测细菌数量、湿度和氧气浓度等，并记录在计算机中，为治疗方案的改进提供依据。

在抗菌纤维的应用方面，博尔顿学院的MohsenMiraftab博士开发了一种新颖的壳聚糖—藻酸盐纤维，在藻酸盐纤维上涂覆一薄层分子量较小的壳聚糖制成疗伤服。源于虾壳的壳质生产的壳聚糖无毒而且具有生物相容性，有利于抗菌，促进纤维原细胞的生长并影响小噬细胞的活性，从而使伤口愈合更快。California大学的孙刚教授描述了许多化学处理方法可以用来制作耐用并可重复使用的抗菌纺织品，可以避免把患者的病菌传染给医生。

2.3 航天航空领域

未来智能纤维及智能纺织品将会在航空航天领域发挥越来越重要的作用，纺织纤维及其制品（如各种结构的预制件）应用于航空航天领域不仅可以大幅度减轻器材的质量，而且会提高整个产品的抗震性。更重要的是纺织纤维及其制品可以赋予机器相应的智能化应用。复合材料在生产过程中的工艺性不稳定，如何避免构件内部的缺陷，对飞机的安全非常重要，智能纺织材料结构就能有效解决这一问题。它能够快速超前地预报损伤点和严重程度。比如光导纤维材料就可应用于对复合材料的状态进行监测与损伤评估。在材料或结构的关键部位埋置光导纤维及其传感器制品。这些材料及其特殊结构能够对疲劳、腐蚀、冲击、磨损或操作失误、温度等环境条件引起的结构损坏实现即时探测定位并作出评价，并可在损坏达到临界状态之前发出警告,以便及时对构件进行修理或更换。

在航空领域由于宇航员在真空状态下进行作业，环境比较特殊，对服装有严格的要求。可以尝试通过材料的智能化设计、智能组件的植入、结构的特殊化设计等来实现。例如航天员用多功能宇航服等。美国航空宇航局研发出能够保证飞行员在极度恶劣天气状况下手部温暖的手套。我国太航公司研发的航天员水下训练专用服装配套的余压调节器、测压组件、安全阀、气动控制台及主备气密层切换阀等五项产品，通过调节服装内压力及流量，可以确保航天员始终处在太空模拟状态，以达到预期的训练目的。

2.4 生物医学领域

纺织纤维材料及其纺织品以其自身优势（如良好的柔韧性、机械性）在未来智能材料及其组元材料开发中具有重要的地位。如其作为药物释放载体已经有了实质性的进展，原理是利用智能材料来感知病变部位各种环境信息的变化，使药物在预定的时间或地点释放出所需要的剂量，实现药物的定点、定时、定量释放。目前利用外界刺激的智能材料主要有物理、化学刺激敏感型材料如葡萄糖敏感型材料、酶敏感型材料、基于抗体识别功能设计的材料等。

如经过聚乙二醇处理过的棉、聚酯或尼龙/聚氯酯共聚纤维，含有交联的多元醇，这种编织或者机织的纺织品遇到血液或酒精/水混合物等极性消毒溶液时会收缩。用这种纺织品做绷带，它在收缩时使伤口上所产生的压力可以止血，而绷带干燥时可恢复至原始尺寸，压力除去。

日本科学家用一种被称作含水凝胶的形状记忆材料制造人造肌肉。这种人造肌肉，由电压引起化学反应，导致分子变形，实现肌肉的屈伸动作。这项技术将来可望用于作为假肢人工肌肉和人工器官的动力源。

2.5 日常生活

智能纺织材料已渗透到人们的日常生活。如2001年意大利Corpo Nove公司的毛罗·塔利亚尼设计师通过运用镍钛形状记忆纤维设计了一款“懒人衬衫”，该衬衫的袖子能随温度的变化而调整长度；中国香港福田实业集团与美国杜邦公司利用Outlast相变纤维合作开发了“Fountian”牌智能调温服装；美国Triangle公司合成了直径15 μm～40 μm的微胶囊，这种微胶囊具有吸放热的作用，将其整理在织物表面，就使织物具有了温度调节的功能，这一技术把相变蓄热纤维带入了我们的生活。日本东邦人造纤维公司制造了一种遇水能变色的游泳衣；美国加州大学伯克利分校研制了一种能随光线强弱而自动改变透光强度的智能窗帘，有效地利用了变色纤维。德国FAC服装设计公司和荷兰Philip公司都对具备MP3、录音等娱乐功能的服装进行了开发。比如表演服装由于强调舞台效果而对服用功能要求相对较低。因此已逐渐成为开发热点，香港理工大学开发出一款能配合演员不同动作发出相应音乐的“跳舞衣”，就是应用了电子纤维的原理。

3 存在的问题

智能纺织材料以其优良的性能为智能纺织品的开发提供原料支撑，近几年在市场上被广泛地研发和应用。但是在它的研发过程中，仍存在不少不容忽视的问题，如安全性问题和绿色环保问题，急需有效地应对措施来避免事故的发生，只有这样智能纺织材料才能蓬勃发展，并体现出其核心竞争价值。

3.1 安全性问题

安全性问题主要包括以下3方面内容：智能纺织材料在实际应用（如智能服装）中本身存在的安全隐患，如漏电、辐射等；智能纺织材料的应用会形成新的安全问题，如“隐身衣”和“肌肉服装”被不法之徒利用会对社会和人民财产安全造成更大的伤害；个人隐私泄露问题，如电子纤维制成的可传递信息的衣服可能会泄漏某些个人隐私数据，如医疗信息、所在位置、卡密等。

3.2 绿色环保问题

智能纺织材料的绿色环保问题主要体现在加工过程以及回收利用两方面。在加工过程中，该材料的印染以及电子元件的加工易造成环境污染和资源浪费等问题。同时智能纺织材料的回收利用也是其应用过程中急须解决的问题。

3.3 应对措施

针对以上问题，智能纺织材料的研发应该突破传统模式，强调“以人为本、绿色安全”的设计原则。在整个制作工艺流程过程中做到生态环保，同时确保材料整体及模块的安全性，这也需要提高第三方鉴定能力和试验水平。而为了推进智能纺织材料及其产业化进程，需要加强多学科多领域人才的合作，发展要求多学科的交叉与运用，并吸取经验教训，从而缩短研发时间，节约成本。