智能纺织品的分类及其应用

白 洁

(中国纺织工程学会，北京 100025)

经过多年发展，纺织行业的内涵已经发生了质的飞跃，“科技、时尚、绿色”成为行业的新标签，产业范围涵盖高品质高性能纤维制造业、高端纺织智能制造业、以服装服饰品牌为代表的时尚产业等，产品应用也从生活衣着领域延伸到医疗与卫生、生态与环保、军工与航天等领域。发达国家也相继出台了纺织领域的发展战略，重新把国家经济发展的重点聚焦在纺织领域，如美国提出了“智能纺织计划”，成立了“革命性纤维与织物制造研究中心”；德国制定了“未来纺织”的国家战略，并组建了“德国未来纺织联盟”。而我国工业和信息化部印发的纺织工业“十三五”发展规划中“智能纺织”这个关键词也多次出现，提出要加强电子技术、信息技术与纺织技术的结合，发展智能纺织产品[1]。由此可见，纺织行业即将面临大变革，智能纺织品的发展前景不可限量，智能纺织品将成为纺织服装行业未来的重点发展方向和重要的经济增长点。

本文在研究已有智能材料、智能纺织品等相关文献的基础上，从智能纺织品的基本概念入手，梳理总结了智能纺织品的主要种类及其应用情况，简要预测了智能纺织品的发展趋势，旨在为智能纺织品的研发提供理论依据。

1 基本定义

1.1 智能材料

“智能材料”这一概念最早是由日本的高木俊宜教授提出，他于1989年，将信息科学的内容与材料结构和功能相融合，提出了此概念。智能材料是指材料自身可感知外部刺激，并根据外部条件的变化，做出相应的反应、执行完成相应的行动[2]。一般来说，智能材料是具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力等七大功能的新型功能材料。

1.2 智能纺织材料

智能纺织材料是指材料除了具备普通纺织材料的外观风格和服用性能外，还能感知外部环境变化，通过改变自身的一种或多种性能参数做出反馈，从而响应外部环境，自我调整以达到与环境相适应的一种新型纺织材料[3]。

1.3 智能纺织品

智能纺织品是指以智能纺织纤维为原料，通过纺纱、织造等工艺最后获得的纺织品，或者是将其他的智能材料与纺织品进行组合而得到的具有智能性的纺织品[4]。智能纺织品本身是一个包含感知单元、反馈单元和响应(执行)单元的体系，它相较于智能纤维更容易通过整合感知元件、反馈元件和响应元件，达到“智慧化”的目的[5]。

2 智能纺织品的分类

目前，智能纺织品分为消极(被动)智能纺织品、积极(主动)智能纺织品和高级智能纺织品[6]。

2.1 消极智能纺织品

消极智能纺织品仅仅能感知外界环境的变化或刺激，但不能根据外界变化进行自我调节，为第1代智能纺织品。如抗紫外线服装、抗菌纺织品、陶瓷涂层纺织品、光导织物等都属于消极智能纺织品。其实，消极智能纺织品还达不到严格意义上的智能纺织品的范畴，更准确的应该称之为功能性纺织品。

2.2 积极智能纺织品

积极智能纺织品不仅能感知外界环境的变化或刺激，并可根据外界变化做出相应的反应，为第2代智能纺织品。如形状记忆纺织品、防水透湿纺织品、相变蓄热服装、光热致变色纺织品等都属于积极智能纺织品。

2.3 高级智能纺织品

高级智能纺织品又称超智能纺织品、适应型智能纺织品等，为第3代智能纺织品，涉及通信、传感、人工智能、生物等多门高科技学科。它能感知外界环境的变化或刺激，并做出相应的反应，通过自我调节以适应外界环境[7]。目前，高级智能纺织品仍处于起步阶段，有待进一步研究。

3 智能纺织品的主要种类及其应用

3.1 智能变色纺织品

3.1.1智能变色纺织品的定义及分类

智能变色纺织品是指随外界刺激(如光、电、压力、温度等)的变化而发生色泽改变的纺织品。这类智能纺织品主要包括光致变色纺织品、温致变色纺织品、电致变色纺织品、压致变色纺织品、湿致变色纺织品等[8]。

光致变色纺织品是在不同光波作用下，物质A向其异构体物质B转化而出现的变色效果，A、B 2种物质具有不同的吸收光谱和能级结构，撤去光源或者改换另一种光源，B再转化成A，颜色又回到初始色泽[9]；温致变色纺织品是由于织物上的颜料分子结构可随温度发生变化，从而引起颜色变化；电致变色纺织品是指材料的光学性能(反射率、吸收率、透光率等)在外加电场作用下产生稳定、可逆的颜色变化；压敏变色纺织品是通过导电纤维经纬交织形成的矩阵感知织物受压部位，发生的颜色变化。

3.1.2智能变色纺织品的应用

智能变色纺织品服用性能较好，可用于民用、军用、高危行业等多个领域。军用领域，可用于军事伪装，如可控变色迷彩服；医用领域，可用于医疗监测，如婴儿服装，通过服装颜色变化来监测婴儿是否发烧；特殊职业的安全防护，如穿着者长期曝露在化学危害物或强辐射环境中，衣服颜色会变化；数码领域，如电致变色服装，可在服装上实现电视屏幕一般的功能；时尚领域，如光致变色遮阳伞、光致变色T恤等。光致变色T恤见图1[10]。

图1 光致变色T恤

3.2 智能温控纺织品

3.2.1智能温控纺织品的定义及分类

智能温控纺织品按照其对外界温度的刺激反应方式，可分为保温纺织品、降温纺织品、自动调温纺织品3大类[11]。

保温纺织品是通过阳光蓄热纤维或远红外纤维起到保温效果。阳光蓄热纤维是将吸收到的太阳光中的可见光和近红外线，通过热量形式辐射到人体，以达到保温的效果；远红外纤维是将人体自身散发的热量转化成一定波长范围的远红外线再重新辐射给人体，以加速血液循环的方式来降低热量损失，达到保温的效果，因此远红外纤维的保温性能更好。

降温纺织品主要包括紫外线和热屏蔽织物、凉爽织物、散热织物等。紫外线和热屏蔽织物是在聚合物溶体中均匀掺入能反射紫外线的细陶瓷粉末再纺成纤维，其对可见光和近红外线吸收率较低，从而使人体产生凉爽感，这种织物内的温度比常规棉织物低2～4 ℃；凉爽织物是在聚酯纤维中添加金属氧化物，通过金属氧化物减弱服装因紫外线和光照引起的褪色，使衣服内部凉爽，它比常规棉织物可降低5～10 ℃；散热织物是在纤维内混合金属粉末涂层，使人体散发的热量能以Fe、Cu、Al、Zn等热传导性能高的金属粉末为媒介，快速向外界散发[12]。

自动调温纺织品可双向调节温度，一般是由相变技术与纤维制造技术相结合，它能够根据环境温度升降而相应的吸放热能。

3.2.2智能温控纺织品的应用

智能控温纺织品可用于民用服装，如降温背心、运动服、滑雪服等，降温背心见图2[10]；职业服装，如航天服、消防服、潜水服等；医用方面，可制作恒温绷带保护伤口，防止局部温度过高或过低；汽车制造方面，可用于汽车内部的座椅及车顶部位等[13]。

图2 降温背心

3.3 形状记忆纺织品

3.3.1形状记忆纺织品的定义及分类

形状记忆纺织品是指受到外部刺激(如温度、湿度、光、磁场、pH值)后，织物的外形、尺寸或内部结构可发生改变，但在特定条件刺激下又能回复初始状态的纺织品[14]，主要包括形状记忆合金类纺织品、形状记忆聚合物类纺织品和形状记忆水凝胶类纺织品。

形状记忆合金类纺织品是指纺织品内的金属合金经热刺激后可在多种不同的晶体结构间变换，从而引起织物变化，如金镉合金、镍钛合金、铜铝镍合金和铝锌合金等；形状记忆聚合物类纺织品是通过永久性物理交联或化学交联方法，植入一个活动基质而成的聚合物， 该基质可储存力学形变能量，待织物受外界刺激后可再恢复形变；形状记忆水凝胶类纺织品是通过水凝胶这种能在水中溶胀，但不溶于水的高分子聚合物达到的形状记忆[15]。

3.3.2形状记忆纺织品的应用

形状记忆纺织品主要用于免烫、抗冲击等功能领域及美学领域，如防烫伤服装，当服装接触高温时，纤维由平面变成宝塔状，以达到保护人体的效果；形状记忆水凝胶类纺织品多用于海上工作人员制服；Grado Zero Espace公司研制的Oricalco服装可在炎然的夏天自动卷起衣袖，Oricalco服装见图3[10]；形状记忆纤维还多用于枕头、床垫的填充物等。

图3 Oricalco服装

3.4 防水透湿纺织品

3.4.1防水透湿纺织品的定义及分类

防水透湿纺织品又称“可呼吸的织物”，是指织物在一定的水压下不被水润湿，使之具有拒水性，同时，人体散发的汗液又能以水蒸气的形式传导到织物外侧，不在人体表面和织物间积聚冷凝使人感到不舒适。主要包括防水透湿高密织物、微孔膜、无孔膜、智能型4种[16]。

防水透湿高密织物利用气体分子从高浓度向低浓度扩散的原理，当人体出汗时，汗液可通过织物向外界扩散，而当织物渗湿时，纤维可横向溶胀、间隙变小，达到防水效果；微孔膜防水透湿织物是通过雨滴直径和水蒸气分子直径之间的大小差异来实现防水透湿的；无孔膜防水透湿织物是通过分子的亲水性特点以提高薄膜的表面张力，以达到防水效果；智能型防水透湿织物是指织物可根据不同的环境特点自动调节透湿性的高低，如高温下织物通过高透湿性以达到优良的散热排汗效果，而低温下织物通过低透湿性以达到降低散热提高取暖性的效果。

3.4.2防水透湿纺织品的应用

防水透湿纺织品可用于军用服装，如飞行员服、舰艇防寒服等；特殊工种工服，如消防服、警服、手术服、极地保护服等；还可用于滑雪服、登山服、运动服、运动鞋、帐篷等[17]；日本三菱开发的Diary和Azekura织物可用作运动服和婴幼儿尿布等，它可通过体温来控制织物透湿性。防水透湿面料见图4[10]。

图4 防水透湿面料

3.5 电子信息智能纺织品

3.5.1电子信息智能纺织品的定义及分类

电子信息智能纺织品是将柔性微电子元件与纺织品结合为一体，使传感器能感知外界环境的变化,信息处理器处理信息，并做出判断发出指令,再通过驱动器改变材料的初始状态,以适应外界环境的变化,从而实现自我诊断、自我调节、自我修复等功能。根据微电子元件和纺织品结合方式不同采取的主要技术为模块化技术、嵌入式技术和基于纤维的技术等[18]。

模块化技术是将电子元器件作为功能模块直接集成在纺织品上，如在织物上直接加入各类传感器，以实现对人体温度、心律等数据的监测；嵌入式技术是将电子元件直接结合到部分织物中，如通过导电纱线连接电路板，基于织物的柔性传感器，整合电路等[19]；基于纤维的技术是通过纤维或织物直接构成电子元件和传感器，如纺织品柔性显示器、柔性压敏材料等。

3.5.2电子信息智能纺织品的应用

电子信息智能纺织品用途广泛，是最有发展潜力的智能纺织品之一。可用于医疗健康方面，如medical衬衣，见图5[10]，可监测穿着者的体温、心跳、血压等数据，以实现医院对病人的远程监护，发生紧急情况时，医院可通过衬衣上的定位系统找到病人进行急救，还有智能袜子、智能婴儿连体衣等类似用于医疗方面的智能服装；用于运动健身方面，方便用户查看自己的运动时间、强度、距离、能量消耗等运动参数[20]，如心率监测文胸见图6[10]、Colmar智能运动衣等；用于多媒体数码产品方面，如music外套见图7[10]，它不仅能播放用户事先储存的音乐，还能收听电台节目，音乐播放功能由一个全布料电容键盘控制，能量主要来源是太阳能、风能等[21]；用于军事方面，如嵌有超微感应器的作战服，可识别战士的受伤出血部位,该部位的军服能马上膨胀收缩,起到止血的功效，还有智能降落伞能检测空中和地面情况及时改变飞行方向和速度等。

图5 medical衬衣

图6 心率监测文胸

图7 music外套

4 智能纺织品的发展趋势

智能纺织品不仅促进了纺织业的转型升级，也将推动颠覆性新兴产业的发展。未来，智能纺织品的发展趋势如下。

①单品功能更加多样。目前，大部分单件的智能纺织品功能比较单一，应将生理监测、防水透湿、温度控制等功能集中在一件服装上，以提高单品功能的多样化。

②服用性能更加完善。智能纺织品的研究还处于起步阶段，研究方向主要集中在功能性方面，而在服装的洗涤性、可折叠性、穿着舒适性等方面还需要不断完善。

③产品更加安全、环保。特别是电子信息智能纺织品不仅要减少如电磁辐射等对人体带来的潜在危害，还要注意产品生产过程中的节能环保等问题。

④价格更加亲民。智能纺织品只有价格亲民，被消费者普通接受和使用，才会有更加广阔的发展空间。

5 结束语

智能纺织品的应用领域十分广泛，在医疗与卫生、运动休闲、航空航天、军事等方面都将产生重大影响，在推动纺织服装、电子信息、材料等领域技术发展的同时，也大大提高了人们的生活质量，为我们的美好生活增添了更多的可能性。