国际智能纺织材料应用与市场发展趋势

刘树英

近年来，先进发达国家和地区纷纷逐步放弃了纺织业的粗加工产品，逐渐从资源与能源消耗多、环保污杂压力重、技术含量低和经济效益低的行业和产品中退出，进而充分利用自身优势进行技术创新来开发新材料占领中高档市场。在纺织业中，智能材料纺织产品成为人们看好的目标之一，得到迅速发展。

智能材料纺织品，是指对外界刺激具有感知能力或兼具反应能力的纺织品，能给人类生活提供舒适、安全和情趣，为劳动者提供更好的防护并提升工作效率，能够“聪明”地为消费者服务。因此，智能纺织品必定是未来纺织品的发展方向。“随着社会的进步和产品的日益丰富，任何产品的竞争焦点将越来越集中在是否能够提供更多的附加功能方面。”欧洲纺织品协会（EPTAP）杰尔德·麦卡锡指出，“因此智能材料纺织品将是纺织服装行业未来的发展方向及其市场最重要的经济增长点。”

1 智能纺织材料的功能分类

智能纺织品由纺织品纤维消费衍生而成，可对外部条件反应敏感，保持织物材料及织物的款式和技术特性。关于智能纺织品的研发开始于美国。1929年，美国Marsh和其他国家开发出了具有修复智能的湿、干、皱纹功能的纤维素纺织品。20世纪80年代以后，日本教授高木敏义提出了“智能材料”的概念：智能材料纺织品意味着除了普通纺织材料的外观样式和耐磨性之外，还可以感知外部环境的变化，并通过更改其一个或多个性能参数作出反馈，从而对外部环境作出响应并调整，以实现一种适应环境的新型纺织材料。

目前，智能纺织材料其功能特点被宾夕法尼亚州立大学教授R.E.Neunham分为被动、主动和非常3类（见表1），得到了众多学者的认可。

2 智能纺织材料的应用种类

20世纪80年代中期兴起的对智能纺织材料的研究与开发，为智能纺织材料的发展奠定了坚实的基础，极大地促进了高端纺织产业的发展。特别是近年来纺织科技的新发展，已出现“机敏”“灵巧”“智能”纤维材料，用来生产智能纺织品；或者以常规织物为“平台”，加入各种各样的新化工原料，生产出智能纺织品。智能纺织品不仅对环境条件（或因素）的剌激有感知，还能作出适当的反应，保留了纺织材料的原有风格和技术性能，还增加了许多新的功能。

2.1 智能相控温变纺织材料

智能相控温变纺织材料利用氢氧化钠（NaOH）、氢氧化锂（LiOH）和碳酸钾（K2CO3）等材料的固有特性，能够实现固态与液态相互自由转化（在一定的温度条件下）。

结合相控温变材料技术与纤维制造技术开发的相控温变纤维，能够自动感知环境温度的变化，达到智能调节温度的效果。其包含的相变物质通过发生固—液或固—固可逆转化反应，可使纤维具有双向调节温度的性能和适应性：当环境温度高于某一阈值时，材料相变吸热达到制冷效果；当环境温度低于某一阈值时，材料相变放热达到保温效果，以此控制纤维周围的温度。此类相控温变纤维可在2个方向上调节温度，根据环境温度的上升和下降吸收和释放热能。相控温变纤维据其对外界温度的刺激响应性能可分为3类：隔热织物纺织品、冷却织物纺织品和自动温度控制纺织品。

为了使宇航员免受太空中极端温度的伤害，自20世纪50年代全球第一套宇航服问世以来，美国国家航空航天局（NASA）一直在努力开发保持宇航员舒适和凉爽的材料、NASA约翰逊航天中心的工程师曾创造了一种靠液体冷却的外衣，目前市场上比较具有代表性的相变纤维产品有Outlast、Comfortemp、Thermasorb和Cool Vest等，它们可在温度振荡环境中反复循环使用，并且热循环次数普遍都达到1 000次以上。

2.2 智能变色纺织材料

智能变色纺织材料利用螺吡喃、偶氮苯、纳米钴镍氯化物、纳米络合物以及PANI或PEDOT等材料的化学反应和电致变色及压致变色效应，在其受到光、热、电等刺激时，材料表面颜色可发生变化。

结合变色材料技术与纤维制造技术开发的智能变色纤维是指其颜色随外部刺激（例如光、电、压力和温度等）变化而改变，这种织物纺织品主要包括光致变色织物纺织品、热致变色织物纺织品、电致变色织物纺织品、压致变色织物纺织品和湿致变色织物纺织品。

光致变色织物纺织品是在不同的光波作用下，物质A转变为异构体物质B的变色效果； A和B具有不同的吸收光谱和能级结构；卸下光源或更改为另一个光源，将B转换为A，然后颜色恢复为原始颜色。热致变色织物纺织品是因织物上的颜料分子结构会随温度变化，从而引起颜色变化。电致变色织物纺织品是指材料的光学特性（反射率，吸收率，透光率等）在外部电场的作用下产生稳定且可逆的颜色变化。压敏变色织物纺织品通过由导电纤维交织形成的基质来感知织物加压部分的颜色变化。

智能的变色织物具有更好的耐磨性，可用于民用、军事和高风险行业，也可运用于娱乐服装、安全服和装饰品以及防伪标识上。目前市场上比较具有代表性的相变纤维产品有ICC、F—DLn、E—CL、Radiate、Chuck—70和白鹭等。日本KANEBO公司的光敏变色T恤衫，它是将2种热收缩性不同的材料混纺来得到具有潜在“扭曲性能”的扁平断面纤维，这样使较强的阳光被纤维间的空隙吸收和反射产生变色效应。在军事领域，它可用于军事伪装，例如可控的变色伪装；在医学领域，它可以用于医学监测，例如婴儿服装，通过服装的颜色变化来监测婴儿是否发烧；特殊的职业安全保护，例如长期接触化学物质在有危险或强烈辐射的环境中，衣服的颜色会改变；数字领域，例如电致变色服装，可以在服装上实现电视屏幕的功能；时尚领域如光变色雨伞和光变色T恤等的应用。变色纺织材料的智能应用特性见表2。

2.3 智能记忆纺织材料

智能记忆纺织材料织物利用钛镍（TiNi）系合金、铜（Cu）基合金、铁（Fe）基合金和水凝膠聚氨酯、聚内酯、含氟高聚物、聚降冰片烯等材料的形状物理性能参数变化或转化效应，在特定环境条件刺激下可使其恢复原状。

形状记忆纺织材料采用纤维制造技术第一次被制成纤维时，就能记忆外界赋予的初始形状，定型后的纤维可以任意发生形变，并在较低的温度下将此形变固定下来（二次成型）或者是在外力的强迫下将此变形固定下来。当对变形的纤维施以加热、水洗、光、电、磁、化学能等外部刺激条件时，形状记忆纤维可回复原始形状，也就是说最终的产品具有对纤维最初形状记忆的功能。

如今国际纺织企业推出的各种形状记忆纤维：有形状记忆合金织物纺织品，形状记忆聚合物织物纺织品和形状记忆水凝胶织物纺织品等。目前市场上比较具有代表性的相变纤维产品有CN—Lazy、Diaplex、SORONA和CORTERRA等。英国防护服装研究机构，研制出了一种用于防烫伤的服装，它是将形状记忆钛镍合金纤维加工成宝塔式螺旋弹簧状，然后再进一步加工成平面状，最后固定在服装面料内。当这种服装表面接触高温时，形状记忆纤维的形变被触发，纤维迅速由平面状变化成宝塔状，在2层织物内形成很大的空腔，使高温远离人体的皮肤，从而防止烫伤的发生。这种服装在消防救火方面大有用武之地。意大利某纺织品公司开发出智能化衬衣，是利用形状记忆钛镍合金纤维与合成纤维锦纶交织的方法。其织物纱线的设计比例为：5根锦纶丝配1根形状记忆钛镍合金丝。当你所处的周围环境温度升高时，这种智能衬衣的袖子会自动卷起。而且这种衬衣还不怕起皱，即使揉成乱糟糟的一团，人的体温也可以自动将其“熨平”。记忆纺织材料的智能应用特性见表3。

2.4 智能抗菌纺织材料

智能抗菌纺织材料织物利用银、甲壳素、汉麻和复合化学物、抗病毒整理剂等制成的纤维以及在内部包裹抗菌剂、活性氧等胶囊纤维，不仅具有抗菌、杀菌和防臭的功能，还对纤维材料的耐用与安全性能进行有效保护。

这类纺织材料具有非常的智能特征：当细菌接近抗菌加工后的纤维时，具有破坏细胞膜作用的四级氨盐浸入到细胞内，与细胞核内的脱氧核糖核酸或RNA结合生成抗菌和杀菌的银离子（Ag+）、锌离子（Zn2+）、铜（Cu2+）离子等。生物体内的白血球，让髓过氧化物（MPO）的血红素蛋白质氧化产生过氧化氢、羟基、次亚氯酸离子、超氧化自由基等，這即为攻杀细菌的智能分子系统。

用智能抗菌材料制成的纤维纺织品，可用于医用包扎物或制作成内衣，穿在人身上或包扎在患者的皮肤伤口上，具有很好的抗菌和防止皮肤过敏的作用等。特别是在新冠疫情大流行的冲击下，许多国家新研发的可以抗御Covid—19病毒的新一代智能抗菌纺织材料引人瞩目。例如加拿大智能织物技术（IFTNA）公司研发出一种能杀死Covid—19新冠病毒的智能抗病毒织物——PROTX2—AV，10min内可以杀死干性纺织品上99.9%的新冠病毒，并在长达24h的时间里继续发挥功效。孟加拉国的扎贝尔—祖贝尔织物有限公司新开发的智能抗病毒Z&Z—PPE纺织品，在120s内将新冠病毒或任何其他病毒及细菌杀死，并确保抗病毒效果达到99.9%。瑞士HeiQ纺织品公司研发的智能抗病毒Viro Formula面料，用其制成的服装不仅能抗Covid—19病毒，也对H1N1、H3N2、229E等病毒有很强的毁灭效应。意大利阿尔贝尼纺织公司采用智能抗菌纺织面料antiviral制成的医用防护服、旅行服等，不仅有助于避免皱纹、透气、保暖，还能保护人体免受Covid—19等病毒的侵害。利用智能抗菌材料制成的纺织品面料，将可用于体育运动服装、内衣、袜子、鞋衬、医疗用布、产业用布等。抗菌纺织材料的智能应用概况见表4。

2.5 智能自修复纺织材料

智能自修复纺织材料利用呋喃多聚体、马来酰亚胺多聚体等聚合物基复合材料，具有模仿生物体损伤自愈合机理的性能，不仅能够对纤维加工或纺织品使用过程中肉眼难以发现的微观裂纹进行自修复，而且能根据感受到的信息而进行自动判断和控制以适应外界条件变化。

智能自修复材料的本质特征是感受外界环境的变化，集感知、驱动和信息处理于一体，具备如生物体所具有的感知、自诊断、自修复等功能。智能自修复材料的自修复方法主要有本征型自修复和外援型自修复。两者的区别在于自修复体系是否需要外加修复剂。本文重点对外援型自修复材料进行介绍，外援型自修复通过在材料体系内添加修复剂实现智能化自修复功能：一是中空纤维，其自修复方法的机理是将中空纤维埋植在基体材料中，空心纤维内装有修复剂流体，材料发生破坏时通过释放空心纤维内的修复剂流体粘接裂纹处实现损伤区域自修复；二是纳米粒子，其自修复机理是材料产生裂纹时，纳米粒子向裂纹区域扩散（纳米粒子尺寸越小扩散效果越好），扩散后的纳米粒子将裂纹处填充从而起到修复的作用；三是碳纳米管，其修复机理是将埋植在基体材料内的碳纳米管充当容器，在其内部储存修复剂分子，当材料产生裂纹时碳纳米管破裂，修复剂释放出来后吸附在裂纹处或在裂纹处发生化学反应粘接裂纹实现自修复功能；四是微脉管，其自愈合原理是通过在材料内部埋入具有三维网状结构的微脉管，可实现修复剂的持续补充，因此可实现材料损伤的更多次修复。

美国宾州大学电气工程和材料研究所研制出一种自修复纺织材料——Tadigadapa，用其制成的军服、工作服和防护服，可以防止农民接触到有机磷酸酯农药，或让工人不受工场有毒物质伤害，也可在化学或生物袭击战场上保护士兵。美国Imperial Motion纺织与服装公司利用纳米固化技术新开发了Nano Cure纺织材料，采用这种智能纺织材料制成的外用服装别具特色，即使该服装布料受到穿刺或撕裂，只要透过双手轻搓产生摩擦热力，布料就能自动修复。自修复纺织材料的智能应用概况见表5。

2.6 智能电子信息纺织材料

智能电子信息纺织材料的应用有2大类：一是依据导电体不同对复合型导电高分子材料制备的智能电子信息纺织品，二是柔性微电子元件、纤维或面料组合成的纺织品。前者具有明显的导电聚合物特征，且若在兩端加上一定电压，有明显的电流或智能电子信息作用于纺织品；后者以传感器感知外部环境变化并对信息做出相应处理，判断并发出指令，然后改变材料的初始状态，从而实现自我诊断、自我调节和自我修复等功能。

根据不同导电体及微电子元件与织物纺织品的不同结合方式，采用智能电子信息技术制成的织物纺织品主要有模块化智能电子信息纺织品、嵌入式智能电子信息纺织品和纤维基智能电子信息纺织品等。其中，模块化技术是将电子组件作为功能模块直接集成到织物纺织品上，例如将各种传感器直接添加到织物上以监测人体温度，心律和其他数据；嵌入式是将电子组件直接集成到织物中的部件中，例如通过导电丝连接电路板，基于织物的柔性传感器，集成电路等；纤维基则是基于纤维技术直接形成电子组件和传感器，例如纺织品柔性显示器和柔性压敏材料等。

智能电子信息纺织品是被广泛使用且前途大好的智能织物纺织品之一，它可以用于医疗和健康方面，例如医用衬衫可以监视佩戴者的体温、心跳、血压和其他数据，以实现对医院患者的远程监视。发生紧急情况时，医院可以通过衬衫上的定位系统找到异常点。对于紧急情况下的患者，有智能袜子、智能婴儿连身裤和其他类似的用于医疗目的的智能服装；对于运动和健身，用户可以方便地检查他们的运动时间、强度、距离、能量消耗和其他运动参数，例如心率。此类纺织品制成的服饰用品不仅可以播放用户预先存储的音乐，还可以收听广播节目。音乐播放功能由全结构电容键盘控制提供，主要能源是太阳能、风能等；在军事领域如内置超微传感器的作战服，可以识别士兵受伤和流血的部位，这种制服可以立即膨胀或收缩以止血。还有一些智能降落伞，可以检测空气和地面状况并及时更改飞行方向和速度。电子信息纺织材料的智能应用概况见表6。

3 国际智能纺织材料市场发展趋势

近年来，随着智能材料的不断创新，智能纤维面料、智能纺织品以及智能服装正以异乎寻常的发展速度，成为拉动世界智能纺织材料市场发展的主要动力。美国北卡罗来纳州立大学纺织工程教授曼弗雷·德科勒认为，“智能织物材料及其纺织品正在促进世界纺织品的升级换代，并将成为未来纺织品市场竞争的主要焦点之一。”下面展望国际智能织物材料及其纺织品的市场动向和发展趋势。

一是全球市场主动型崛起：据美国赢船公司调研显示，早在2012年，全球智能纺织品市场价值为2.895亿美元；在2018年突破20亿美元；2020年迅猛达到了30.8亿美元；从2013年到2018年的年复合增长率超过18%。可见，近年来全球智能纺织品市场开始了从被动型转为主动型的崛起。

二是市场前景跨跃型大发展：据美国纺织纤维产业联盟（USTIA）的调研数据显示：目前全球智能纺织材料的产量虽不到全球合成纤维总产量的3%，但品种却占全球化纤品种总数的50%～60%，产品应用也日益广泛。USTIA的报告指出：2020年全球智能织物和纺织品市场价值大约为30.816亿美元；预计到2026年将达到80亿美元；2030年将突破100亿美元；从2021—2030年期间年复合增长率将是20%，全球智能织物和纺织品市场前景呈现跨跃型大发展。

三是未来市场呈现霸主地位：该趋势首先是低成本的发展方向。未来的智能纺织品将具备低成本的组合工艺与高效益的系列技术，如此一来，智能纺织品的价格才能被普通消费者接受，展现更广阔的市场。来自欧洲纺织品协会（EPTAP）的一项最新调研数据显示：预计到2050年，随着市场对低成本智能织物和纺织品需求不断增长，2050年全球智能织物和纺织品市场未来市场将达到150亿美元左右，在世界纺织品市场上呈现霸主地位。据EPTAP的调查报告认为：以全世界65亿人口计算，人均消费量为5kg智能织物和纺织品；随着时间的推移，世界人口在不断增加，对智能织物和纺织品的依赖性逐年增加。

四是智能抗菌纺织品引领市场：首先在智能抗菌纺织品发展中，开发具有无害化永久抗菌效果的纤维与纺织品是新趋势；由于纳米抗菌整理剂整理的织物具有优异的耐洗涤性，抑菌效果高效持久，具有其他整理剂难以比拟的优点，开发纳米整理剂是抗菌整理的热点之一。在市场发展方面，据EPTAP调研报告：随着全球新冠疫情大流行的冲击，在抗菌和相控温变等智能纺织材料的需求急增中，2021年全球智能织物和纺织品市场规模将达到50亿美元。据专家预测，新冠疫情将促进人们对智能抗菌纺织品需求的爆发性增长，此类纺织品的应用领域也会从特殊医用防护用品，向民用的服装、家用纺织品，如户外服装、运动休闲、家居床品等领域渗透，必将引领世界智能纺织材料市场的快速发展。

五是关注重点地区市场趋势：在智能织物材料和纺织品的未来市场，应关注全球范围内如下几个重点地区市场：首先是偏爱智能纺织品多功能趋势的北美地区（美国、加拿大和墨西哥），该市场约占全球智能织物材料和纺织品市场的20%；据USTIA数据显示，智能纺织品在美国市场2015年达到4.94亿美元，以平均年增长率预期为30.5%来计算，到2021年将可望突破10亿美元。该市场的未来主要动向要针对老人和儿童的特殊需求，研发具有定位、生理状态监测显示及无线发送功能的智能多功能纺织品，将有良好的推广价值。

其次是追求任意智能控温趋势的欧洲地区（德国、法国、英国、俄罗斯和意大利），该市场约占全球智能织物材料和纺织品市场的25%；据EPTAP调研数据显示，2021年欧洲智能织物材料和纺织品市场规模可望达到13亿美元。该市场的未来主要要求基于聚合物基复合材料的正温度系数（PTC）控温效应，并且分别实现不同控温点的控温，使之在任意的供电电压下实现自限热加热，达到智能化的任意控温水平。

第三是重视环保健康趋势的亚太地区（中国、日本、韩国、印度和东南亚），该市场约占全球智能织物材料和纺织品市场的40%，其中中国是最大的消费市场，约占亚太地区智能织物材料和纺织品市场的65%超过13亿美元。该市场未来不仅要求智能纺织品对身体没有危害，还要求生产过程无污染，节约能源，绿色环保。

第四是重视安全美学趋势的南美洲地区（巴西和阿根廷等），该市场约占全球智能织物材料和纺织品市场的10%。据EPTAP调研数据显示，2021年南美智能织物材料和纺织品市场规模约为5亿美元。该市场未来主要要求智能化和安全化特征结合人体穿着实际体验进行综合设计，并要符合美学与时尚的要求。

最后是崇尚仿生智能趋势的中东和非洲地区（沙特阿拉伯、埃及、尼日利亚和南非），该市场约占全球智能织物材料和纺织品市场的5%左右。据EPTAP调研数据显示，2021年南美智能织物材料和纺织品市场规模约为2亿～3亿美元。该市场未来主要要求利用人工材料模拟自然界生物体的结构和性能来设计新型智能纺织品，使服装获得由这些特征带来的“天然仿生智能”。2021年全球智能织物材料与纺织品市场预测见表7。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.014

（译作者声明：本文根据国外期刊内容翻译并整理成文，版权授予《新材料产业》杂志，拒绝网摘与转载）