电子智能纺织品的评价方法研究

刘 宇 ，李林青，韩 琦，郑开心

（1.上海市质量监督检验技术研究院纤维检验所，上海200040;2.上海交通大学中国城市治理研究院，上海200030）

0 引言

近年来，将传感、通信、人工智能等高科技手段应用于纺织技术上而开发出的新型纺织品备受关注。电子元件的嵌入在为纺织品赋予新功能的同时，也给人们的健康和研究带来了潜在的安全隐患和新的研究挑战。如何对市场中的智能纺织品进行准确测试与评价已经成为相关监督部门和检测机构迫切需要解决的问题。2019年5月，美国材料与试验协会（ASTM）发布了ASTM D8248-191《智能纺织品标准术语》标准。此标准界定了与智能纺织品、技术纺织品、电子纺织品和可穿戴电子产品（包括纤维、纱线和最终产品）相关的术语。目前，纺织行业面临的首要任务是建立用于规范电子智能纺织品质量的产品技术标准，对智能纺织品应用的测试方法、量化指标、评估安全要求，以及确定其在销售和市场开发时所用的智能纺织品标识进行统一规定。本文从服用性与功能性两个方面阐述了电子智能纺织品的评价方法，为建立完善的评价体系提供思路，对今后电子智能纺织品的开发具有重要的意义。

1 电子智能纺织品的研究进展

电子智能纺织品将各种电子元件如传感器[1-2]、能量收集装置[3]、场效应晶体管[4-5]和传输线[6]集成到织物中以实现纺织品的功能化。随着可与纺织品整合的柔性可穿戴设备（如柔性传感器、传输线、电子开关等）的飞速发展，新型电子智能纺织品的研发备受业界关注[7-8]，特别是基于纺织材料的压力传感器，由于其可集成在衣服和床品上，现已在不同领域得到广泛应用，如照顾老年人[8]、诊断病情[9-10]、人体运动监测[11]等。

近年来，电子智能纺织品领域的市场发展势头迅猛，例如：著名内衣品牌Victoria’s Secret推出了可实施检查佩戴者心跳的运动文胸；美国Sensoria公司开发的足部传感器可以监测运动信号；奥地利Urban Tool公司的衬衣具有智能织物触摸板，用于控制音乐播放器；Ambiotex、OM Signal、Under Armour等公司也均在市场上推出了可以采集人体体征信号的衬衫、胸带和内衣。

因此，随着电子智能纺织品领域产业的迅速发展，对其评估方法的建立已成为检测领域新的挑战。电子智能纺织品除了拥有传统纺织品可穿戴的特性，还可以对环境的变化和外界的刺激产生响应，进行信号输出以触发其功能性，因而急需要开发出新的评估体系以适应产品的发展需求。

2 电子智能纺织品的组成及评价方法

2.1 电子智能纺织品的组成

电子智能纺织品可分为硬件和软件两个部分。其中，硬件部分指纺织品本身或是纺织品上已装配的硬件传感器、数字设备、芯片和配件等；软件部分是指使智能服装发挥作用的软件协议或系统程序。

一般电子智能纺织品是通过导电纱线或柔性电路把包括控制器、传感器、分析器、电池等各个部分连接起来形成回路，从而达到传感、控制和执行等功能为准确建立电子智能纺织品的评估体系，结合市售产品和国内外的研究现状，本项目收集并归纳了几种典型电子智能纺织品的组成，详见表1。

表1 电子智能纺织品的组成

2.2 电子智能纺织品的评价方法

一般对电子智能纺织品的性能评价可分为服用性和功能性两部分进行。其中：对服用性能部分的评价包括对服装的相容性、耐久性、材料等方面的评价；对功能性的评价包括与功能性相关的电气∕电子性能和智能性能的评价。

2.2.1 电子智能纺织品的服用性能评价方法

电子智能纺织品应具有基本的服用性能，如尺寸变化、外观变化和重金属检测等（见表2），其检测方法可参考现行纺织品相关的国家标准和ISO标准。由于电子智能纺织品的信号感应和传输元件依附于纺织基材，因而对其洗涤性能或尺寸变化的评价是至关重要的，这也是与传统纺织品相比存在的最大差异。因电子智能纺织品常直接接触人体皮肤，以便监测人体体征信号，因而应符合国家纺织产品基本安全技术规范要求，且应重点关注产品中重金属的含量。若纺织品上嵌入了电子元件，如传感器、微处理器等，在对织物的撕破强度测试时，应对嵌入区域的接缝部位重点关注。此外，织物键盘、织物心电测试电极等在使用过程中经常弯折，故其弯折强度也应作为重点检测项目。

表2 电子智能纺织品服用性能评价项目

2.2.2 电子智能纺织品的功能性评价方法

2.2.2.1 电子智能纺织品电气/电子性能

电子智能纺织品额定输入电压较低，一般不大于12 V，属于特低安全电压的范畴，由于此类产品使用时直接穿戴在人体上，其电学安全性是首要的考核内容。电子智能纺织品装备的电子元件应满足相应电子电器的安全标准（见表3），对于内部含有电线的织物，检测时也必须符合电线评估标准。

表3 电子智能纺织品电气/电子性能评价项目应符合的标准

2.2.2.2 电子智能纺织品智能性能

电子智能纺织品的智能性能主要体现在体征信号监控、肢体运动检测、织物键盘、智能控温和能量收集等6个方面。

（1）体征信号监控 织物电极兼具透气透湿、舒适、可与皮肤曲面贴合的特性，常用于人体长期生理信号的采集与监测过程。由于该类产品对输出信号的容错率极低，因此人体体征信号监控服装在进入市场前及在使用过程中应定期对其监控性能进行测试，对应需要建立的评估方法应包括：①皮肤—织物电极的阻抗关系的评估[12]；②感应系统输出信号可靠性、稳定性和正确性的评估（参考JJG1041—2008《数字心电图机检定规程》）；③长期使用舒适性的评价。

（2）肢体运动检测 将导电织物制备为柔性传感器袖管或裤管，可检测人体肢体的运动。导电织物作为应变传感器，是根据其电阻与应变的关系，将应变转化为电信号来表征所受拉力，进而表征肢体的运动。柔性导电织物传感器传感性能的优劣评价标准主要取决于灵敏度、线性度、稳定性等[13]。除此之外，由于应用时导电织物两端加载电压，在导电织物形变过程中导电纱线之间会产生位移，使导电织物产生电感或者电容效应，对其应用的感应信号产生干扰，因而可通过监控导电织物在形变过程中的阻抗变化来评估其应用过程中的干扰信号[14]。

（3）织物键盘 织物键盘由导电纱线和绝缘纱线共同织造而成,通过按键开关可控制电路的接通断开。稳定性和疲劳寿命是衡量柔性织物键盘开关的一个重要因素，评估方法可参考GB 16915.1─2014《家用和类似用途固定式电气装置的开关第1部分：通用要求》（等同于IEC 60669-1∶2017）、GB 15092.1─2010《器具开关第1部分：通用要求》（等同于IEC 61058-1∶2008）等标准中用于检测家用和类似用途开关器具产品机械寿命的试验。

（4）智能控温 电加热服装是利用电能驱动衣服内的电热元件进行工作的，对其发热性能评估方法可参考ISO 13732-1∶2006《热环境的人类工效学人对表面接触的反应的评定方法第1部分：制热表面》和GB 4706.8─2008《家用和类似用途电器的安全电热毯电热垫及类似柔性发热器具的特殊要求》中关于电热毯和电热褥表面温度及电热元件升温的项目进行评估。保温率测试参照GB∕T 11048─2018《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》方法进行。

（5）能量收集 电子智能纺织品的能量收集主要为压电能量收集、摩擦能量收集和光伏能量收集3种方式。Qiyao Huang等[15]通过对储能能力（单位长度、面积和体积的电容∕容量）、能量密度与功率密度和设备寿命3个方面评价能量收集类电子智能纺织品的性能，并建立测试方法，为相关产品的检测提供了借鉴。

3 结论与展望

（1）电子智能纺织品是纺织、服装和电子产业的融合产物，为人们日常生活提供便利的同时，也带来不可估量的机遇和经济效益。现阶段业界主要关注电子智能纺织品在性能和应用程序的研发阶段，下一阶段则是建立相关标准体系，以及扩大市场规模，但这需要不同行业、不同城市间产学研等部门间的通力合作。

（2）从服用性能与功能性两个方面阐述的电子智能纺织品的评价方法可作为科研单位和企业对电子智能纺织品质量控制的参考，同时也可为电子智能纺织品行业标准或国家标准的制订提供有益的思路，促进此类涉及多学科领域产品标准的制订，尽早弥补该领域的标准空白。