针织结构智能产品的开发与应用

刘于维,丛洪莲,赵博宇

(1.江南大学 纺织科学与工程学院,江苏 无锡 214122;2.江南大学教育部针织技术工程研究中心,江苏 无锡 214122)

智能纺织品的定义通常是通过将纺织技术与电子、计算机、医学、物理、化学、生物等多种技术相结合,在此基础上开发出的具备环境变化感知能力、环境交互能力以及智能调节能力,并保留传统纺织品固有风格特点和技术特征的一类新型智能化纺织品[1-2]。

纺织品根据织造方法不同可分为机织物、针织物、非织造织物三类。其中,针织物具有延展性强、弹性好、透气性好、可实现一次成型、便于利用线圈结构实现局部智能化等优异的物理性能,常用作智能纺织品的良好载体[3]。针织结构智能产品是指研发人员根据不同的应用场合,相应地选择适当的针织品,并通过智能化设计,赋予针织产品感知、反应和调节功能的一类智能纺织品。相比其他智能纺织品、针织结构智能产品具有以下优点:针织物特有的物理性能能够使智能针织产品具有更好的穿着舒适性、可折叠性、可水洗性;针织物特殊的线圈结构可以确保织物在发生形变时,智能化纱线的性质不受影响,从而保证了智能针织产品的性能稳定;针织物丰富的组织结构为更方便地实现织物智能化设计提供了基础。

针织结构智能产品具有轻巧便携、易于穿戴、交互可控、实时性强等优点。近来,针织产品在智能医疗器械、智能穿戴设备、通讯定位设备等高性能智能织物领域的开发应用逐渐成为国内外研究的热点[4]。随着电子信息技术的发展,智能针织产品的应用领域得到了进一步拓宽,研究针织产品的智能化设计对提升人类生活质量、医疗保健水平、军事作战能力等方面具有重要意义,同时也给纺织行业向现代化、高新化发展提供了新路径。通过对针织结构智能产品开发与应用进行研究,能够为针织结构智能产品在未来向产品高性能、多功能、美观、易洗易穿等方向进一步发展打下基础。

1 针织结构智能产品的开发原理

目前实现针织产品智能化的方式多种多样,可归纳为三类:采用智能化纱线进行直接编织制得;将柔性微电子元件与针织基底结构以一定的方式复合而得;对织物进行智能化后整理加工制得。

上述方法在织造时都可与不同的组织结构相结合,从而获得不同功能、不同特点的智能针织产品。例如在纬编机上可以利用集圈组织、添纱组织、提花组织不同的线圈结构和纱线关系实现智能化纱线编织。除此之外,采用圆纬机能够直接生产出无缝全成型针织产品,能够供研究人员方便地进行智能腿套、肘套的开发;经编针织产品具有一定的纵向延伸性,且与纬编针织产品相比具有更好的尺寸稳定性和防脱散性。其中,采用双针床经编机编织而成的间隔织物具有两个相对独立的表面,间隔丝位于两个表面之间,起连接和支撑的作用,该织物具有一定的抗压性,常用作智能化针织产品的载体[5]。

1.1 采用智能化纱线直接编织

采用智能化纱线进行直接编织是目前开发智能针织产品的重要途径。该开发方法是指将智能化纱线直接进行上机织造,通过对组织结构及织造方法的设计实现智能纱线的混纺、交织和嵌入。

若采用功能性纱线(如自动调温纱线、抗菌纱线、形状记忆纱线等)进行编织,能够充分利用针织物线圈结构的特点,制得的智能化织物结构稳定,在一定程度上提高了智能纱线的适应性和智能织物的功能性。天津工业大学的蒋晓东[6]利用蓄热调温纤维/羊绒混纺纱,结合集圈式双层针织组织,制备出一种功能性羊绒调温产品。该织物外层由纯羊绒纱线编织, 内层由蓄热调温纤维/羊绒混纺纱线编织,采用蓄热调温纱线编织连接组织连接织物内外层。制得的织物既能充分体现羊绒织物的风格,又兼具调温性能,改善了传统保暖制品厚重、穿着不舒适的缺点。

导电纱线和光导纤维纱线是另一类常见的智能化纱线,常用来制作针织柔性传感器。柔性织物传感器技术是实现纺织品智能化的核心之一,按信号转换机理可分为电容式、电阻式、电感式、光纤式柔性传感器等[7]。

如图1所示,电容式传感器通常采用导电薄膜、纤维、纱线、织物等柔性材料制得电容器极板,针织物应用中常采用经编间隔织物、空气层织物等作为介质间隔层,在应力作用下,传感器的极板间距d、极板正对面积S、极板间介质的介电常数ε发生改变,从而改变电容值;如图2所示,电阻式传感器通常以导电纤维或纱线制成,线圈在受应力作用时发生形变时,造成材料电阻率的变化,该部分电阻变化可称为长度电阻变化,同时线圈应变导致线圈间接触面积增大或减小,引起接触电阻改变[8],这两方面因素将共同引起电路中电压或电流的变化;电感式传感器主要利用了电磁感应原理,通过将压力、位移等被测物理量的变化转换为线圈的自感系数和互感系数的变化,再由电路将该变化转化为电信号,其传感线圈通常采用导电纤维或导电纱线制成,针织物结构能够方便其位置固定;光纤式传感器利用光导纤维能够实现单向传输的传光特性,把被测物理量转换为光特性变化。上述传感器与纺织品结合后充分保留了织物柔软、便携、穿着舒适性好的优点,但在进一步提高水洗性与性能稳定性方面仍存在问题。

图1 电容式传感器作用原理图

图2 电阻式传感器作用原理图

1.2 采用柔性电子元件进行复合

该方法采用模块化技术、嵌入式技术和纤维改造技术,通过粘贴、缝合、交织等方式将柔性微电子元件(如柔性传感器、柔性纺织开关、柔性电子线路板等)与针织品合为一体,可以得到电子信息技术智能针织产品。通过以电子信息技术为基础,实现了传感、通讯、人工智能等高科技手段与纺织技术的结合。例如可通过将GPS等定位设备与老人、儿童、户外工作人员等群体使用的纺织品结合,实现对人员的实时监控定位,以确保其人身安全。吴艳[9]在2+2罗纹涤/棉弱弹针织面料中嵌入i Beacon定位元件,在满足面料融合度和穿着舒适度的情况下,可实现对儿童位置的精确测定。

1.3 采用织物后整理加工法

采用沉积、印刷、拼贴等方式将金属颗粒、碳基材料或高分子导电复合材料附着于织物表面形成导电涂层织物也是实现织物智能化的一种方法。棉织物经高温炭化后具有一定的导电性,在此基础上研究人员将棉织物进行热裂解炭化反应,得到CCF(Carbonized Cotton Fabric,碳化棉),再通过将其浸泡在TPU(Thermoplastic polyurethanes,热塑性聚氨酯弹性体橡胶)溶液中制得CCF/TPU复合导电材料。由该材料制备而得的柔性压阻传感器具有灵敏度高、迟滞回线偏差低和出限较低的特点[10]。

该方法的特点是加工较为简便,原料适应性广,但会降低织物的穿着舒适性。例如采用形状记忆聚合物材料对织物进行后整理加工,可直接制得形状记忆织物,但在形状记忆织物回复温度的精确控制、整理剂粘附牢度的改善以及织物手感的提高等方面仍存在一定上升空间。

2 针织结构智能产品的应用

目前应用范围较广的智能针织产品根据其作用原理可分为以下几类:人体姿态监测产品、形状记忆针织品、热电类针织品及电子智能针织品。

2.1 人体姿态监测产品

人体姿态变化产生的信号按照运动表征幅度大小可分为小幅度信号(指人体呼吸、脉搏、心跳等身体外部表征不太明显的动作)和大幅度信号(指踝腕关节、膝关节、手指、足部等运动动作)。

小幅度信号存在不易检测、难以捕捉的情况,需要监测装置的有效监测面积较大,且呼吸、心跳等信号的监测装置通常被佩戴在穿着者的胸腹部,因此这对产品的穿着舒适度提出了很高的要求[11]。若仅通过粘贴、缝合等方法将一般的监测电极与织物结合,将不能满足智能织物与人体较高贴合度的要求,导致监测准确性和穿着舒适性降低,而采用针织柔性传感器进行产品设计恰好可以很好地解决这一问题。通过将针织柔性传感器嵌入到服装的不同部位,可以实现对人体不同部位活动状态的实时监控,对人体运动及医疗健康领域的研究有很大意义。

Fan等人[12]利用尼龙纱线和导电纱线编织畦编组织,生产出摩擦电柔性针织传感器(图3a)。采用畦编组织可使纱线的接触面积更大,与普通平针组织相比具有更好的摩擦起电效应。将该传感器编织进衣物的袖口和胸口处(图3b),再将信号传输至手机APP上,可实现对人体脉搏及呼吸的实时监控。

图3 用于脉搏、呼吸监测的摩擦电针织传感器

大幅度信号与小幅度信号相比具有易于检测、产品设计灵活度较高的特点。Atalay A[13]设计了一种以导电针织物为电极,硅弹性体为介质的柔性传感器(图4)。该传感器将同轴电缆的导线与热塑性薄膜传感器封装连接,具有高线性度、低迟滞性等特点,可集成在智能手套上用于监测手指运动。

图4 智能手套

除了上文中提到的通过衬入的方法将导电纱线直接编织进织物,用于监测大幅度信号的压力电容传感器检测装置还常根据其应用领域,通过特殊的织物组织结构来实现智能织物对传感器电极排布位置的要求。例如,江南大学的孙婉[14]利用经编间隔织物作为压力电容传感器的介质,设计并制备了一种具有压力分布监测功能的智能坐垫,实现了对人体坐姿的检测。其工作原理是织物受到外界压力作用后,间隔丝弯曲变形,导致粘附在间隔织物的上、下表面的柔性电极导电布中的电极间距改变,从而引起电容值变化。

天津工业大学的田新宇[15]采用空气层组织和提花组织三层复合结构,通过将光纤布拉格光栅传感器植入到织物中间空气层内进行固定,实现了对人体脉搏的检测。该设计中外层组织在保证传感器位置稳定的同时,还对光纤起到了一定的保护作用。通过这种方法将传感器封装到织物内形成一体结构,与采用粘贴、缝合等物理粘合方法进行固定相比,织物穿着舒适性得以提高[16]。

2.2 形状记忆针织品

形状记忆材料在经塑性变形后,当处于一定的外界条件(如热、化学、机械、光、磁或电等外加刺激)时能够自动恢复到初始形态。形状记忆材料按其组成成分一般可分为三类:形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物材料。其中,形状记忆合金材料被应用于纺织领域由来已久。近几年来,形状记忆聚合物材料由于记忆温度可调范围大、质量小、耐气候性和耐疲劳性好、原料生产和加工容易等优点,成为了形状记忆织物原料的后起之秀。形状记忆针织产品克服了针织物保形性差的缺点,而且赋予产品良好的可塑性、免烫整理、抗冲击性及形状回复性,服装方便造型,受到不少消费者喜爱。

医学上常采用镍钛形状记忆合金丝作为针织人造血管的内支撑,在临床治疗冠心病、抑制肿瘤生长、通畅新陈代谢等方面取得了显著的疗效[17]。

在针织服装生产中,MARUKO KK采用形状记忆镍-钛合金丝制得带有形状记忆合金的针织塑身内衣,该塑身衣具有很好的保型性,既对穿着者体型有修整功能, 又满足了穿着者对服装舒适性的要求。除了采用形状记忆材料制得的纱线直接进行编织,周星将形状记忆材料制成一种硅胶包覆记忆合金丝网内衬,以经编间隔织物、经编多梳织物作为载体,将该内衬置于织物夹层中,能够很好地保持鞋帽、内衣等针织物的原有造型,美观耐用。

2.3 热电类针织品

热电类智能纺织品主要利用热电效应,当人体与环境之间存在温差时,位于二者之间的热电纺织材料中的载流子将从高温端向低温端转移,形成电流。

目前开发热电类纺织品的方法主要有两种:一种是通过浸渍涂覆等方法将有机/无机热电材料与织物、纱线及纤维进行结合,ZHENG等[18]采用浸涂法制备出一种碳纳米管基分段热电纱线,编织成经编间隔组织(图5)。当材料两端温差很小时,可产生较大的输出功率。

图5 经编间隔织物结构

另一种是通过模板印刷技术[19]、蒸汽印刷技术将热电发电机集成到纺织品上。ALLISON[20]等采用蒸汽印刷的方法,将导电聚合物(PEDOT-Cl)固定于棉织物表面,制备出热电发电机,并安装在针织手环中制成可穿戴热电发电机。当材料两端温差为12 ℃时,可产生 5 mV的热电压,该热电压在穿着者出汗后还将获得一定程度的提升。

3 针织结构智能产品的发展趋势

(1)纤维材料高科技化。

纤维材料作为针织结构智能产品的主体之一,其物理性能(如导电性能、电学稳定性能、强伸性、可纺性等)直接影响了产品的质量好坏。随着智能针织产品研发的深入及其应用领域的拓展,研发人员将通过提高纤维材料的科技含量来进一步完善智能产品功能性及适用性。除此之外,智能产品用纤维材料的开发还将向结实耐用、轻质便捷、安全稳定、环境友好等方向推进。

(2)应用多功能化。

多学科交叉运用使智能针织产品的功能性不断提高。例如,将形状记忆功能与抗菌功能复合;将生理监测、环境监测与调温等功能相复合[21]。随着科学技术的发展,人们还将从分析生产、生活对智能产品提出的要求入手,利用电子信息技术、生物化学技术、人机多交互技术、仿生技术、3D打印技术、纳米技术等不同领域的技术[22]开发出多种差别化智能产品,满足用户的不同需求。

(3)产品舒适美观化。

目前市面上存在的针织结构智能产品已经能基本上满足人们的需求,但其穿着舒适性及美观时尚性仍存在提升空间。未来针织智能产品在满足人们需求的同时,材质将更加柔软轻便,同时将进一步改善穿着舒适性和水洗性。此外,产品的设计性和时尚性也将提高,以满足大众审美需求。

4 结语

综上所述,随着科技的快速发展,目前智能针织产品在实现智能化功能的基础上已经能够满足基本的穿戴要求,但在提高穿着舒适性、水洗性、产品多样性、供能装置稳定性方面仍存在进步空间。随着材料智能化程度、针织技术、物联网技术、电子信息技术的进步,针织产品实现智能化开发将越来越便捷,智能针织产品将向低成本、多功能、高性能、可学习的方向发展,智能针织产品的应用也将覆盖生产、生活中的更多领域。