智能纖維及智能紡織品的研究與開(kāi)發(fā)

張?，?方東根+沈雷+賀義軍

摘要：近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于智能纖維的研究已取得諸多成效，并且在紡織服裝領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。本文綜述了相變纖維、形狀記憶纖維、智能凝膠纖維、光導(dǎo)纖維和電子智能纖維等智能纖維的主要性能和研究現(xiàn)狀，以及它們?cè)诩徔椘奉I(lǐng)域的應(yīng)用情況，同時(shí)對(duì)智能纖維及智能紡織品的發(fā)展前景進(jìn)行了展望，指出未來(lái)其在性能優(yōu)化、綠色安全及產(chǎn)業(yè)化等3個(gè)方面的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：智能纖維；智能紡織品；應(yīng)用；發(fā)展前景

中圖分類號(hào)：TB381；TS106

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research and Development of Intelligent Fibers and Intelligent Textiles

Abstract： In recent years， the research on intelligent fibers has achieved many results at home and abroad， and it is widely used in textiles and clothing industry. Therefore， this paper summarizes the main properties and research status of 5 kinds of intelligent fibers， include phase change fiber， shape-memory fiber， intelligent gel fiber， light-guide fiber and electronic fiber，and introduces their application in textiles. Moreover， it forecasts the development prospects of intelligent fibers and textiles， and points out development direction in 3 aspects of performance optimization， green and safety， industrialization.

Key words： intelligent fibers； intelligent textiles； application； development prospects

智能纖維是指能夠感知外界環(huán)境（機(jī)械、熱、化學(xué)、光、濕度、電磁等）或內(nèi)部狀態(tài)所發(fā)生的變化，并能做出響應(yīng)的纖維。而智能紡織品是指模擬生命系統(tǒng)，同時(shí)具有感知和反應(yīng)雙重功能，并保留紡織品固有風(fēng)格和技術(shù)特征的一類新型紡織品。智能纖維及智能紡織品具有或部分具有如下智能功能和生命特征：傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力和自適應(yīng)能力。近些年來(lái)，隨著納米技術(shù)、微膠囊技術(shù)、電子信息技術(shù)等在內(nèi)的一些前沿技術(shù)的發(fā)展及運(yùn)用，智能纖維的開(kāi)發(fā)得到了迅速發(fā)展，并且催生了一系列新興智能紡織品的出現(xiàn)，從而滿足了人們的某些特定需求。

目前，關(guān)于智能纖維及智能紡織品的研究是紡織服裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。沈新元等從pH響應(yīng)性凝膠纖維、光敏纖維和溫敏纖維等3個(gè)方面對(duì)智能纖維進(jìn)行了綜述；劉娜介紹了敏感型智能纖維和智能材料傳感器兩種主要智能材料在服裝上的應(yīng)用；姚連珍等闡述了形狀記憶纖維、變色纖維、蓄熱調(diào)溫纖維、智能凝膠纖維和電子智能纖維五大類典型智能纖維的制備、功能以及應(yīng)用狀況，對(duì)本文具有一定的參考價(jià)值。但近些年來(lái)一些學(xué)者認(rèn)為現(xiàn)有變色纖維的顏色變化是盲目進(jìn)行的，不能根據(jù)環(huán)境的變化進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，因此將其視為功能材料，有一定的合理性。

R.E.Neunham將智能材料分為消極、積極和高極等3類，得到了眾多學(xué)者的認(rèn)可。但消極智能材料與功能材料類似，并沒(méi)有達(dá)到真正的智能，因此本文所述的智能纖維及其紡織品主要是后兩類，著重從相變纖維、形狀記憶纖維、智能凝膠纖維、光導(dǎo)纖維和電子智能纖維等5種纖維對(duì)智能纖維進(jìn)行介紹，同時(shí)闡述了智能紡織品的研究狀況，并且對(duì)智能纖維及智能紡織品的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1智能纖維

1.1相變纖維

相變纖維是一種結(jié)合相變材料技術(shù)與纖維制造技術(shù)開(kāi)發(fā)的，能夠自動(dòng)感知環(huán)境溫度的變化而智能調(diào)節(jié)溫度的高科技纖維產(chǎn)品。其中包含的相變物質(zhì)通過(guò)發(fā)生固-液或固-固可逆轉(zhuǎn)化可使纖維具有雙向溫度調(diào)節(jié)和適應(yīng)性：當(dāng)環(huán)境溫度高于某一閾值時(shí)，材料相變吸熱而具有制冷效果；當(dāng)環(huán)境溫度低于某一閾值時(shí)，材料相變放熱而具有保溫效果，以此來(lái)控制纖維周圍的溫度。目前市場(chǎng)上比較具有代表性的相變纖維產(chǎn)品有Outlast、Comfortemp、Thermasorb和CoolVest等，它們可以在溫度振蕩環(huán)境中反復(fù)循環(huán)使用，并且熱循環(huán)次數(shù)普遍都達(dá)到1000次以上。

1.2形狀記憶纖維

形狀記憶纖維是指在一定條件下（應(yīng)力、溫度等）發(fā)生塑性形變后，在特定條件刺激下能恢復(fù)初始形狀的一類纖維，其原始形狀可設(shè)計(jì)成直線、波浪、螺旋或其它形狀。主要有形狀記憶合金纖維、形狀記憶聚合物纖維和經(jīng)整理劑加工的形狀記憶功能纖維三大類。目前較為常見(jiàn)的形狀記憶合金有TiNi系合金、Cu基合金和Fe基合金。形狀記憶合金纖維具有手感硬、回復(fù)力大的特點(diǎn)，可被用作紗芯與其它各種纖維紡出具有形狀記憶效果的花式紗，并織成動(dòng)感織物。

形狀記憶聚合物有聚氨酯、聚內(nèi)酯、含氟高聚物和聚降冰片烯等多種品種，其中形狀記憶聚氨酯由于具有易激發(fā)、形變量大、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)良特性而被廣泛開(kāi)發(fā)。形狀記憶聚合物纖維具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如手感較形狀記憶合金纖維柔軟、易成形且具有較好的形狀穩(wěn)定性、機(jī)械性質(zhì)可調(diào)節(jié)范圍較大、應(yīng)變可達(dá)300%甚至更大等，因此其在紡織品上具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

1.3智能凝膠纖維

智能凝膠纖維是指能隨外界刺激（溫度、pH值、光、壓力、電等）發(fā)生體積或形態(tài)改變的凝膠纖維。根據(jù)刺激條件的不同，智能凝膠纖維主要可以分為pH響應(yīng)性凝膠纖維、溫敏纖維、光敏纖維和電敏纖維等，其中以pH響應(yīng)性凝膠纖維最為常見(jiàn)。智能凝膠纖維具有自適應(yīng)性、生物相容性的特點(diǎn)，近年來(lái)常被用于智能紡織品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中。

1.4光導(dǎo)纖維

光導(dǎo)纖維是一種可將光能封閉在纖維中并使其以波導(dǎo)方式進(jìn)行傳輸?shù)墓鈱W(xué)復(fù)合纖維，亦稱為智能光纖，由纖芯和包層兩部分組成。它具有優(yōu)異的傳輸性能，可隨時(shí)提供描述系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確信息。光導(dǎo)纖維直徑細(xì)、柔韌性好、易加工，同時(shí)兼具信息感知和傳輸?shù)碾p重功能，被人們公認(rèn)為首選的傳感材料，近些年來(lái)被廣泛用于制作各類傳感器，在智能服裝、安全性服裝等新型服裝中屢有應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的溫度、壓力、位移等狀況以及人體的體溫、心跳、血壓、呼吸等生理指標(biāo)的監(jiān)控。

1.5電子智能纖維

電子智能纖維是基于電子技術(shù)，融合傳感、通訊和人工智能等高科技手段而開(kāi)發(fā)出的一類新型纖維。隨著人們需求的日益增長(zhǎng)，對(duì)電子智能纖維也提出了更高的要求，目前市場(chǎng)上的電子智能纖維主要有抗靜電纖維、導(dǎo)電纖維等，其中以導(dǎo)電纖維最具代表性。導(dǎo)電纖維是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20℃、相對(duì)濕度65%）下，比電阻低于107Ω·cm的纖維，其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，并能通過(guò)電子傳導(dǎo)和電暈放電來(lái)消除靜電，主要被用于消除靜電、吸收電磁波以及探測(cè)和傳輸電信號(hào)。

2智能紡織品

目前在智能紡織品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，堅(jiān)持的理念是針對(duì)某些特定功能要求，結(jié)合相應(yīng)的一種或幾種智能纖維以及其它材料，以織造或整理的形式加工成或引入到紡織品中，從而開(kāi)發(fā)出滿足用戶相應(yīng)需求的紡織品，而不是單純的將某一類或幾類智能纖維織成紡織品。因此本文將智能紡織品與智能纖維分開(kāi)來(lái)介紹。

2.1智能溫控紡織品

智能溫控紡織品是一類可以智能控制織物溫度以提高其舒適性的紡織品。按照對(duì)外界溫度的刺激反應(yīng)方式，可將其分為保溫紡織品、降溫紡織品及調(diào)溫紡織品三大類。其中調(diào)溫紡織品由于具有雙向溫度調(diào)節(jié)和適應(yīng)性而被作為智能紡織品，用于滑雪服、消防服、內(nèi)衣、帽子、手套、襪子、毛毯、床墊、枕頭等產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。目前調(diào)溫紡織品的制造工藝主要包括涂層整理、復(fù)合紡絲和微膠囊紡絲，并且發(fā)展較為成熟。

近些年來(lái)，調(diào)溫紡織品的研究在國(guó)內(nèi)外取得了較為突出的成就。美國(guó)是最早研究調(diào)溫紡織品的國(guó)家，起初主要針對(duì)登月計(jì)劃，并于1988年成功開(kāi)發(fā)出Outlast相變材料，1994年后調(diào)溫紡織品逐漸商用，并且性能不斷提高。目前較為先進(jìn)的為美國(guó)Polytech公司開(kāi)發(fā)的Ureatech“空調(diào)”織物，它是一種聚氨酯涂層調(diào)溫織物。我國(guó)在調(diào)溫紡織品方面的研究相對(duì)較晚。2003年，保定雄亞紡織集團(tuán)與美國(guó)安伯士國(guó)際集團(tuán)一起利用“太空技術(shù)”成功研發(fā)出了相變調(diào)溫洛科絨線，并在國(guó)內(nèi)首次生產(chǎn)出“冬暖夏涼”的服裝。盡管當(dāng)前眾多此類產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但加工難度大、服用性不佳以及耐久性差等問(wèn)題仍較為突出。

2.2形狀記憶紡織品

形狀記憶紡織品通常是指將具有形狀記憶功能的材料以織造或整理的形式加工成或引入到紡織品中，使其具有形狀記憶、高恢復(fù)形變、良好的抗震和適應(yīng)性等優(yōu)異性能的一類紡織品。其加工方法主要有兩種：一是用形狀記憶纖維織造；二是對(duì)紡織品進(jìn)行形狀記憶整理。其中用形狀記憶纖維織造時(shí)，可純紡，也可與任何一種天然纖維或其它化學(xué)纖維交織或混紡織成形狀記憶織物。而形狀記憶整理方法有樹脂整理、形狀記憶高分子整理、膠原整理以及接枝與包埋等。目前常用的整理方法是通過(guò)在織物上層壓聚氨酯膜或涂布聚氨酯涂層。

形狀記憶紡織品可以被開(kāi)發(fā)成眾多品類和功能的服飾，如阻熱隔熱服、防水透濕服、懶人襯衫、抗浸保溫服等。尤其被用于以下場(chǎng)合：（1）用于領(lǐng)口、袖口以及下擺等有較高保型要求的部位；（2）用于衣服肘部、大衣后擺、褲子膝部等部位，以滿足回復(fù)要求；（3）用于針織物等保形性差的材料中，以改善織物性能。

2.3防水透濕紡織品

防水透濕紡織品是指水在一定壓力下不能滲入織物，而人體散發(fā)的汗氣卻能通過(guò)織物擴(kuò)散或傳導(dǎo)到外界，不在體表和織物間積聚冷凝，使人主觀感覺(jué)不到發(fā)悶的一類功能性紡織品。其主要具有防水性和透濕性兩大功能。防水透濕紡織品的透濕機(jī)理主要有兩點(diǎn)：一是微孔質(zhì)擴(kuò)散機(jī)理；二是親水集團(tuán)“吸附-擴(kuò)散-解吸”傳遞水蒸汽分子機(jī)理。

目前防水透濕紡織品的加工方法歸納起來(lái)主要有3種：超高密結(jié)構(gòu)法、微孔技術(shù)法、致密親水膜技術(shù)法。因此防水透濕紡織品可分為防水透濕的高密紡織品、微孔膜防水透濕紡織品、無(wú)孔膜防水透濕紡織品和智能型防水透濕紡織品等4類。但真正可以稱為智能紡織品的是智能型防水透濕紡織品。代表性產(chǎn)品是日本三菱重工業(yè)公司生產(chǎn)的形狀記憶聚氨酯及其防水透濕織物Diaplex產(chǎn)品，其防水性能可達(dá)20000～40000mm，抗水壓達(dá)到196.133～392.266kPa，透濕氣量達(dá)到8000～12000g/（m·24h），并且其透濕性能可隨溫度變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)智能化，因此能適合不同條件下穿著，從而調(diào)節(jié)人體服裝內(nèi)的微氣候。目前其主要用于登山服、滑雪服、運(yùn)動(dòng)服、救生服等服裝中。

2.4智能抗菌紡織品

紡織品經(jīng)抗菌處理后可以發(fā)揮兩方面的功能：一是保護(hù)使用者；二是防止纖維受損?？咕徔椘分饕蓛煞N方法獲得：用抗菌纖維制成各類織物；用抗菌劑對(duì)織物進(jìn)行后處理。目前市場(chǎng)上的抗菌紡織品以后者居多。而抗菌劑的抗菌機(jī)理可歸納為：（1）使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的各種代謝酶失活；（2）與細(xì)胞內(nèi)的蛋白酶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（3）抑制孢子生成，阻斷細(xì)菌DNA的合成；（4）加快磷酸氧化還原體系，打亂細(xì)胞正常的生長(zhǎng)體系；（5）破壞細(xì)胞內(nèi)的能量釋放體系；（6）阻礙電子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)及氨基酸轉(zhuǎn)酯的生成。

智能抗菌紡織品是一種對(duì)細(xì)菌具有選擇性控制功能的紡織品，不管是在輕微活動(dòng)還是劇烈活動(dòng)條件下，都能使皮膚表面的某些微生物的生長(zhǎng)和繁殖維持在正常水平，目前被廣泛用于毛巾、內(nèi)衣、床單以及兒童的布玩具等用品中。智能抗菌紡織品的加工方法有共混紡絲法、復(fù)合紡絲法、接枝改性法、離子交換法、濕紡法以及后整理法等，主要是基于智能凝膠纖維開(kāi)發(fā)的，如將濕紡中的凝膠態(tài)纖維浸入抗菌劑溶液中，使溶液封入織物內(nèi)部，從而具有抗菌作用。但智能抗菌紡織品的耐久性能一般不好，經(jīng)過(guò)洗滌后織物的抗菌性能會(huì)下降甚至消失，目前市場(chǎng)上此類產(chǎn)品的洗滌次數(shù)通常在30次左右。

2.5電子智能紡織品

電子智能紡織品是基于電子技術(shù)，將傳感、通訊、人工智能等高科技手段應(yīng)用于紡織技術(shù)上而開(kāi)發(fā)出的新型紡織品。電子元件的加入，為紡織品提供了新的解決途徑，同時(shí)也帶來(lái)了新的安全隱患和加工難題，因此與其它紡織品不同，針對(duì)電子智能紡織品的研究已形成一套獨(dú)立的理論和實(shí)踐體系。在電子智能紡織品的研發(fā)過(guò)程中，需要融合多學(xué)科知識(shí)，并注重科技與時(shí)尚的交融。

關(guān)于電子智能紡織品的研究較其它紡織品而言相對(duì)較晚，但近些年已成為紡織服裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并被當(dāng)作未來(lái)的研究方向之一。目前在電子智能紡織品的開(kāi)發(fā)中，傳感裝置是常用的元素，其運(yùn)用使紡織品具有感知外界環(huán)境和人體內(nèi)部狀態(tài)的功能，同時(shí)光導(dǎo)纖維以及導(dǎo)電纖維等材料的運(yùn)用，使紡織品更趨模擬生命系統(tǒng)。江南大學(xué)服裝安全設(shè)計(jì)中心近些年運(yùn)用傳感裝置開(kāi)發(fā)出了一系列安全性服裝，如交通安全類、醫(yī)療安全類等，在安全性童裝的研究中尤為突出。同時(shí)，包括美國(guó)、芬蘭、日本、德國(guó)、意大利等在內(nèi)的一些國(guó)家在該領(lǐng)域的研究也進(jìn)行得如火如荼，并且成績(jī)顯著。目前來(lái)看，電子元件與紡織品的融合仍是此類紡織品開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3發(fā)展前景

智能纖維及智能紡織品的研究與開(kāi)發(fā)促進(jìn)了紡織品的更新?lián)Q代，未來(lái)多學(xué)科交叉運(yùn)用在紡織服裝領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越普遍，從而提高其核心競(jìng)爭(zhēng)力，主要呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)。

3.1性能優(yōu)化

智能纖維及紡織品的突出特征就是智能化，但由于目前技術(shù)水平的局限，許多此類產(chǎn)品功能不成熟、單一化現(xiàn)象較為明顯。未來(lái)多學(xué)科知識(shí)的發(fā)展及交叉運(yùn)用，將促使其朝著差別化、復(fù)合化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。即性能不斷優(yōu)化，不僅有針對(duì)特定需求的功能突出的產(chǎn)品，也有滿足人們多種需求的產(chǎn)品，同時(shí)智能材料與紡織品的融合手段也越來(lái)越豐富，加強(qiáng)了產(chǎn)品的系統(tǒng)性。其中側(cè)重于光學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能以及電子信息類智能纖維及智能紡織品將具有廣闊的應(yīng)用前景，而電子信息類智能纖維及智能紡織品中的電子元件將更加微型化、柔軟化，以適應(yīng)此類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)需求。

3.2綠色安全

一個(gè)新產(chǎn)品的面世必須經(jīng)過(guò)相應(yīng)的評(píng)價(jià)，從而確保其安全性與可靠性。目前在智能纖維及智能紡織品的開(kāi)發(fā)中，主要以技術(shù)為中心，注重對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)，而輕評(píng)價(jià)。因此現(xiàn)在的智能纖維與智能紡織品的安全性與可靠性得不到有效保障，這在電子類產(chǎn)品中尤為明顯。隨著綠色安全理念的不斷深入，未來(lái)智能纖維及智能紡織品的開(kāi)發(fā)將以用戶為中心，強(qiáng)調(diào)對(duì)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)，從而確保其綠色安全，而技術(shù)仍是其中重要的一環(huán)。

3.3產(chǎn)業(yè)化

產(chǎn)業(yè)化能推動(dòng)一個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)入良性循環(huán)，因此產(chǎn)業(yè)化是智能纖維及智能紡織品向前發(fā)展的保證。一個(gè)產(chǎn)品要達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的要求必須滿足眾多條件，如成本、美觀性、實(shí)用性等。盡管目前有不少此類產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)商用，但更多的還只停留在試驗(yàn)階段，特別是電子智能類纖維及其紡織品，存在許多難點(diǎn)尚未攻破。未來(lái)智能纖維及智能紡織品的開(kāi)發(fā)會(huì)更加專業(yè)化與商業(yè)化：一方面，強(qiáng)調(diào)技術(shù)的多功能集成，尤其在軍工、航空航天領(lǐng)域；另一方面，以大眾消費(fèi)者為中心，針對(duì)目標(biāo)人群的需求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，以符合市場(chǎng)的需求。

4結(jié)語(yǔ)

智能纖維及智能紡織品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是當(dāng)今紡織服裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。此類產(chǎn)品的研發(fā)將惠及軍工、醫(yī)護(hù)、休閑娛樂(lè)、裝飾等多重行業(yè)的發(fā)展，關(guān)系到國(guó)計(jì)民生。我國(guó)在智能纖維及智能紡織品產(chǎn)業(yè)上起步較晚，與一些發(fā)達(dá)國(guó)家有相當(dāng)大的差距，但隨著我國(guó)相關(guān)部門重視程度的提升，在一些品類中已開(kāi)發(fā)出不少優(yōu)秀的產(chǎn)品，未來(lái)我國(guó)對(duì)此的關(guān)注程度將不斷加深，同時(shí)強(qiáng)調(diào)人本思想，融合多學(xué)科知識(shí)的交叉運(yùn)用，以形成核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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作者簡(jiǎn)介：張希瑩，女，1990年生，碩士在讀，主要從事服裝安全設(shè)計(jì)與品牌研究。

作者單位：江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

通訊作者：方東根，styletense@163.com。

基金項(xiàng)目：教育部人文社會(huì)科學(xué)研究基金（IIYJA760059）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（SBY201320235）；江蘇服裝品牌創(chuàng)新戰(zhàn)略研究（12SYC-047）。