智能紡織材料與智能紡織系統(tǒng)概述

羅勝利，張宇群，龔 龑?zhuān)?寧，黃倩瑜，陶肖明，劉 蘇廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院，廣東 廣州 57；.北京服裝學(xué)院，北京 0009；3.煙臺(tái)南山學(xué)院，山東 煙臺(tái) 6573；.香港理工大學(xué)，香港特別行政區(qū) 999077）

智能紡織材料與智能紡織系統(tǒng)概述

羅勝利1，3，張宇群1，龔 龑2，何 寧2，黃倩瑜1，陶肖明4，劉 蘇4
廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院，廣東 廣州 511447；2.北京服裝學(xué)院，北京 100029；3.煙臺(tái)南山學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713；4.香港理工大學(xué)，香港特別行政區(qū) 999077）

智能紡織品是紡織品發(fā)展的新趨勢(shì)，是21世紀(jì)研究的熱點(diǎn)。主要介紹了光致變色材料、相變材料、形狀記憶材料、超吸收聚合物和凝膠、負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料、壓電材料、電致發(fā)光材料、光電材料、電容性材料共9種智能紡織材料及其在紡織中的應(yīng)用，同時(shí)根據(jù)能量和通信功能將智能紡織系統(tǒng)分成4類(lèi)，并分別舉例介紹了各類(lèi)紡織系統(tǒng)。

智能材料；紡織材料；紡織系統(tǒng)

智能紡織材料是指除了具備普通紡織材料固有風(fēng)格和服用性能外[1]，還能感知環(huán)境變化并能實(shí)時(shí)改變自身的一種或多種性能參數(shù)，做出與環(huán)境相適應(yīng)的自我調(diào)整的一種新型材料[2，3]。智能紡織系統(tǒng)是指能夠?qū)ν饨绛h(huán)境刺激或外部信號(hào)等刺激物的刺激做出預(yù)期響應(yīng)的一種紡織系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)具有感知功能、反饋功能和響應(yīng)功能[4]。

目前關(guān)于智能紡織材料、智能紡織系統(tǒng)的研究是紡織服裝領(lǐng)域的熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)。現(xiàn)階段智能紡織品的開(kāi)發(fā)已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，尤其是在智能紡織材料開(kāi)發(fā)方面，通過(guò)研究和制備新型材料，獲得纖維外形的傳感器、執(zhí)行器，尤其是柔性紡織開(kāi)關(guān)、太陽(yáng)能電池、柔性電子線路板、大面積柔性集成電路等電子器件的出現(xiàn)，標(biāo)志著智能紡織品已從概念階段向?qū)嶋H應(yīng)用階段邁進(jìn)[5～8]。

智能紡織材料及智能紡織品的出現(xiàn)，使人們看到了紡織工業(yè)的遠(yuǎn)大前景，同時(shí)也看到了電子技術(shù)、生物醫(yī)療技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)等在紡織行業(yè)的重要應(yīng)用和體現(xiàn)?？椢锏闹悄芑羌徔椘钒l(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 智能紡織材料分類(lèi)及應(yīng)用

智能紡織材料是指能夠主動(dòng)地與環(huán)境發(fā)生交互作用，即可通過(guò)自身對(duì)外界刺激進(jìn)行感知、處理并將指令反饋給驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行和完成相應(yīng)的動(dòng)作，對(duì)外界刺激做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)[9]。外界刺激一般包括光學(xué)刺激、機(jī)械刺激、化學(xué)刺激、電學(xué)刺激、熱學(xué)刺激以及磁刺激，不同種類(lèi)的刺激會(huì)導(dǎo)致智能紡織材料做出不同的響應(yīng)（詳見(jiàn)表1）[10]，如光學(xué)刺激可產(chǎn)生光學(xué)響應(yīng)（光致變色），也可產(chǎn)生電學(xué)響應(yīng)（光電效應(yīng)），機(jī)械刺激可產(chǎn)生光學(xué)響應(yīng)、力學(xué)響應(yīng)、化學(xué)響應(yīng)、電學(xué)響應(yīng)以及熱學(xué)響應(yīng)。

表1 不同智能紡織材料對(duì)刺激的響應(yīng)Tab.1 Stimulation-Response of different smart textile materials

1.1 光致變色材料

變色材料是指在外界刺激源（光、熱、電等）的作用下，吸收、傳輸或反射的光隨外界刺激的變化發(fā)生明顯變化的一類(lèi)材料。根據(jù)外部刺激源的不同，變色材料可分為光致變色材料、熱致變色材料、壓致變色材料、電致變色材料等[11～13]。

光致變色材料的制備方法主要有浸染法和絲網(wǎng)印刷法2種。采用浸染法的方式制備光致變色纖維或織物較為簡(jiǎn)便，直接通過(guò)染色浴加熱對(duì)纖維、紗線或織物進(jìn)行上染。絲網(wǎng)印刷工藝將光致變色化合物通過(guò)絲網(wǎng)轉(zhuǎn)印到織物上，絲網(wǎng)印刷過(guò)程中為保護(hù)光致變色化合物，需要對(duì)其進(jìn)行微膠囊化，采用的微膠囊尺寸較小，大約3～5 μm，可直接通過(guò)絲網(wǎng)印刷轉(zhuǎn)移到織物上，此方法雖能增強(qiáng)對(duì)光致變色化合物的保護(hù)，但是降低了織物的手感

[1 4，1 5]。

光致變色織物在實(shí)際應(yīng)用中需要重點(diǎn)考慮2方面問(wèn)題，一是織物的耐光性，有些光致變色染料上染的織物長(zhǎng)時(shí)間暴露在紫外光下會(huì)喪失光致變色效應(yīng)；二是變色-消色速度，變色和消色速度可反映纖維或織物的顏色改變速度，變色速度從剛開(kāi)始吸收紫外光到吸收最大值的一半所用的時(shí)間來(lái)表示，消色速度從吸收光的最大值消減至一半所用的時(shí)間

[1 6]。

變色材料是近些年來(lái)迅速發(fā)展的高技術(shù)功能纖維，具有高附加值和高效益，可用于醫(yī)療監(jiān)測(cè)，如嬰兒服裝，通過(guò)衣服顏色的改變來(lái)監(jiān)測(cè)嬰兒是否發(fā)燒；也可用于特殊職業(yè)的安全防護(hù)，如穿著者曝露在化學(xué)危害物或輻射環(huán)境中，衣服顏色會(huì)發(fā)生改變；還可應(yīng)用于時(shí)尚領(lǐng)域，如光致變色遮陽(yáng)傘、光致變色窗簾、光致變色T恤等。

1.2 相變材料

相變材料是指能夠感知環(huán)境溫度的變化而智能調(diào)節(jié)溫度的材料，相變物質(zhì)通過(guò)發(fā)生狀態(tài)改變（固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)），可以存貯或釋放大量能量，以維持基體溫度恒定[17]。應(yīng)用于紡織服裝中的相變材料有嚴(yán)格的溫度范圍要求，一般是在10～40 ℃，同時(shí)還需具備較高的熱存貯容量和釋放容量、較小的體積變化、無(wú)腐蝕、無(wú)毒素、高導(dǎo)熱性、不易分解等性能[18～21]。

目前較為常見(jiàn)的相變材料主要基于固-液和固-固2種相變狀態(tài)制成的材料。固-固相變材料吸收和釋放熱量時(shí)本身不發(fā)生狀態(tài)改變，僅在較窄的溫度范圍內(nèi)變軟或變硬，與固-液相變材料相比，固-固相變材料沒(méi)有液體或氣體的產(chǎn)生，材料的相變體積變化較小，但其缺點(diǎn)是潛熱低，過(guò)冷度較小[22]。固-液相變材料吸收熱量時(shí)會(huì)從固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，為防止液體材料在使用過(guò)程中流失，大多數(shù)固-液相變材料需密封在微膠囊中。固-液相變材料由于其較高的熱存貯容量和較小的體積變化，在紡織上具有廣泛的應(yīng)用。

目前制備相變紡織材料最常用的方法是對(duì)纖維或織物進(jìn)行涂層或浸漬，即采用相變材料微膠囊的高分子粘合劑對(duì)纖維或織物涂層或浸漬，此法制得的微膠囊位于紡織品表面，耐洗滌性能較差；也可以在紡絲過(guò)程中添加微膠囊制得相變調(diào)溫纖維；或是將微膠囊填充到中空纖維的中空部分，然后用樹(shù)脂將纖維進(jìn)行包覆，防止相變微膠囊外露，從而達(dá)到持久調(diào)溫效果[23]。還有采用層壓的方式將相變材料以聚合物膜的形式壓到紡織材料上。

相變材料最早應(yīng)用在紡織服裝領(lǐng)域，主要是航天服以及手套，目前也用于普通紡織品中，如以提高服裝熱舒適性為主的積極發(fā)熱服裝，如潛水服、防護(hù)服、降溫背心等，也可用于醫(yī)療產(chǎn)品，如手術(shù)服、病人床上用品材料、繃帶、藥物可控釋放，在汽車(chē)行業(yè)也有用到，如汽車(chē)內(nèi)部的座椅以及車(chē)頂部位[2 4]。

1.3 形狀記憶紡織材料

形狀記憶材料是指受到外部刺激（溫度、紫外光、濕度、磁場(chǎng)、pH值）后，材料外形、尺寸或內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變后，在特定條件刺激下能回復(fù)初始形狀的一類(lèi)材料[10]。

形狀記憶材料有以下3種[10]：

a）形狀記憶聚合物：采用永久性物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)方法，并植入一個(gè)活動(dòng)的基質(zhì)而成的聚合物，該基質(zhì)可存貯力學(xué)形變能量，待材料受外界刺激后可恢復(fù)形變；

b）形狀記憶合金：經(jīng)熱刺激后可在2種不同的晶體結(jié)構(gòu)間變換的金屬合金，如鎳鈦合金；

c）形狀記憶復(fù)合材料：形狀記憶材料與可彈性回復(fù)材料制成的復(fù)合材料，如人造肌肉。

形狀記憶聚合物可通過(guò)濕法紡絲、熔融紡絲、干法紡絲、靜電紡等方法加工成纖維形式，纖維再通過(guò)不同方法制成紗線后，經(jīng)機(jī)織或針織的方式制成織物。纖維成分及合成工藝的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的形狀記憶效應(yīng)，如快速形狀回復(fù)、逐步形狀回復(fù)等。服裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)充分利用形狀記憶纖維的形狀記憶功能和力學(xué)性能，根據(jù)紡織品的不同用途，對(duì)形狀記憶纖維提出不同的要求，如較高或較低的形狀記憶性能，較大或較小的伸長(zhǎng)、模量、線性密度等[25]。

形狀記憶聚氨酯纖維/織物已經(jīng)應(yīng)用在紡織服裝領(lǐng)域，如鎳鈦形狀記憶纖維可作為胸罩的支架，在溫度升高時(shí)，使胸罩恢復(fù)到預(yù)設(shè)最佳的形狀[26]。形狀記憶中空纖維的內(nèi)徑可在熱刺激的作用下發(fā)生改變和回復(fù)，可用于熱調(diào)節(jié)服裝或作為枕頭、床墊的填充物。納米形狀記憶纖維由于其多孔徑、比表面積大等優(yōu)勢(shì)，在紡織上也有較為廣泛的應(yīng)用[27]。

目前較為常用的形狀記憶纖維多半基于熱效應(yīng)，還應(yīng)開(kāi)發(fā)出對(duì)光、電、濕度等刺激物響應(yīng)的多重響應(yīng)形狀記憶纖維在智能紡織品中的應(yīng)用。不同的刺激通過(guò)2個(gè)開(kāi)關(guān)（如濕度敏感和熱敏感）的聯(lián)合使用控制多重響應(yīng)形狀記憶纖維的形狀記憶效應(yīng)，可增強(qiáng)形狀記憶纖維的控制力。一件熱-濕敏感的形狀記憶服裝可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體汗液和體溫變化的形狀記憶，并作出相應(yīng)反應(yīng)。形狀記憶材料可以紗線的形式應(yīng)用于紡織系統(tǒng)中，較多地應(yīng)用在織物結(jié)構(gòu)中或者作為織物涂層（如薄膜），如一件遇熱發(fā)生長(zhǎng)度收縮的服裝或一張薄膜改變它的孔隙率以調(diào)整水蒸汽傳輸速率。

1.4 超吸收聚合物和凝膠

超吸收聚合物和凝膠能夠最大限度地吸收和保留液體，使得自身超溶脹，并形成凝膠。高吸水性聚合物（水凝膠）通過(guò)氫鍵和水分子的結(jié)合吸收水分，吸水能力受溶液中的離子濃度影響，它能吸收自身質(zhì)量500倍（自身體積的30～60倍）的蒸餾水或去離子水，而吸收濃度為0.9%的鹽溶液的量?jī)H為其自身質(zhì)量的50倍。

超吸收聚合物的總吸收能力和膨脹能力由高分子的交聯(lián)類(lèi)型及交聯(lián)度決定。低密度交聯(lián)聚合物可形成較高吸收能力以及更柔軟、更緊密的凝膠。高密度交聯(lián)聚合物則形成較低吸收能力、更堅(jiān)硬的凝膠，此種凝膠在較低壓力下可保持自身形態(tài)。

超吸收聚合物和凝膠在紡織上有較大的應(yīng)用價(jià)值，可采用織造或接枝的方式制成防水透濕膨脹織物，織物在干態(tài)時(shí)，由于織物上大量的孔隙使其具有良好的透氣透濕性，當(dāng)遇到濕

環(huán)境時(shí)，織物上凝膠吸水溶脹，將織物組織的孔隙堵塞，起到防水或抗浸作用[28，29]?？蓪?/p>

紡中的凝膠態(tài)纖維浸入抗菌防臭劑溶液，將抗菌防臭劑溶液封入內(nèi)部，制成智能抗菌織物。

1.5 負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)紡織材料

常規(guī)材料在受到拉伸（或壓縮）時(shí)，在垂直受力方向上會(huì)發(fā)生收縮（或膨脹），而負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料及其復(fù)合材料在受拉伸（或壓縮）時(shí)，在垂直于受力方向發(fā)生膨脹（或收縮）。材料的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)是由其宏觀結(jié)構(gòu)或微觀結(jié)構(gòu)形成，而不取決于其化學(xué)組成[30]。

負(fù)泊松比紗線，采用高彈性纖維為芯紗和高模量纖維為包纏紗，以一定的直徑比和初始包纏角度進(jìn)行包纏紡紗而成。當(dāng)紗線受到軸向拉伸時(shí)，外包纏紗彈性伸長(zhǎng)較小，而芯紗彈性伸長(zhǎng)較大，2者位置發(fā)生互換，初始狀態(tài)下芯紗直徑比外包纏紗直徑大得多，因而紗線直徑是增大的，紗線發(fā)生橫向膨脹[31]。

負(fù)泊松比紡織材料可應(yīng)用在服裝面料、航空航天、生物醫(yī)用等領(lǐng)域，如窗簾、軍用帳篷、颶風(fēng)防護(hù)。

1.6 壓電紡織材料

壓電效應(yīng)，是電介質(zhì)材料中一種機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象。當(dāng)材料在外界機(jī)械力作用下發(fā)生形變時(shí)，會(huì)在其2個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生符號(hào)相反的正負(fù)電荷，即機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，此現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)；當(dāng)對(duì)材料施加一個(gè)電場(chǎng)時(shí)，材料表面則會(huì)發(fā)生機(jī)械形變，即電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，此現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。

傳統(tǒng)的壓電傳感器用于監(jiān)測(cè)壓力、加速度、應(yīng)力等，壓電傳感器由于可在較小的應(yīng)力或應(yīng)變的條件下產(chǎn)生可測(cè)量信號(hào)，幾乎可對(duì)任何類(lèi)型的形變產(chǎn)生反應(yīng)，且成本低、能耗低，在紡織領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛能。高分子壓電材料可制成非常薄的膜，可附著在幾乎任意形狀的表面上，偏二氟乙烯是壓電紡織傳感器最常用的材料，壓電傳感器常以薄膜的形式植入紡織品中[32]。

壓電紡織傳感器多用于壓力監(jiān)測(cè)，如帶有壓電傳感器的汽車(chē)座椅，將PVDF壓力計(jì)置于座椅面料與泡沫之間，實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)測(cè)。壓電材料還能用作執(zhí)行器，接受電信號(hào)后輸出力或位移，也可作為機(jī)、電、聲、光、熱敏感材料，在傳感器、換能器、通訊技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。如將壓電傳感器、印刷電路板、微控制器等織入紡織服裝內(nèi)，收集的壓電數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳送至處理器。

1.7 電致發(fā)光紡織材料

此類(lèi)材料當(dāng)有電流通過(guò)或?qū)Σ牧鲜┘右粋€(gè)較強(qiáng)的電場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)光，材料的發(fā)光層類(lèi)似于三明治結(jié)構(gòu)夾在2個(gè)電極之間，頂層是透明的便于傳輸發(fā)射光。發(fā)光層普遍用無(wú)機(jī)或有機(jī)半導(dǎo)體（薄膜或粉末），同時(shí)用摻雜物來(lái)決定顏色，或者無(wú)機(jī)材料如硫化鋅摻雜銅、銀或錳。

電致發(fā)光材料可與紡織相結(jié)合，如法國(guó)某公司運(yùn)用紡織技術(shù)把塑膠光纖織成織物，然后加上LED光源和電池組，通電之后就成為可自發(fā)光光纖織物。該織物白天與普通面料沒(méi)什么區(qū)別，晚上通電之后，會(huì)發(fā)出絢麗的光。

電致發(fā)光材料可以在較低壓和較低電流下使用，可用于發(fā)光服裝，如舞臺(tái)服裝，能夠很好地融入和調(diào)節(jié)舞臺(tái)燈光與自身服裝的搭配效果。也可應(yīng)用于警示服裝，交警穿著的警示衣、兒童警示衣等，有效解決傳統(tǒng)反光警示服在夜間光線不足、反光亮度低、反光不及時(shí)等缺陷，提高道路安全防護(hù)系數(shù)[33，34]。

1.8 光電紡織材料

在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來(lái)而形成電流。光電材料中，光子的主要作用是激發(fā)半導(dǎo)體中電子從價(jià)帶過(guò)渡到導(dǎo)帶。光電材料主要由上電極、一個(gè)P型半導(dǎo)體/n型半導(dǎo)體和下電極組成。

光電材料在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是基于纖維或紡織材料制成光電池[35]，如太陽(yáng)能電池，將無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料CdS涂層在滌綸纖維上以制備柔性的太陽(yáng)能電池，該電池將照射在其表面的太陽(yáng)光線直接轉(zhuǎn)換成電能，作為獨(dú)立的電源供應(yīng)器。

1.9 電容性紡織材料

電容性紡織材料可以存貯電荷，電容結(jié)構(gòu)一般由2個(gè)平行極板中間夾一層絕緣介質(zhì)構(gòu)成，外力引起的極板面積、極板間距的變化以及絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)的變化，都會(huì)引起電容材料電容量的變化。

電容材料可用于紡織品的柔性電容傳感器，一般以導(dǎo)電纖維、紗線、織物等柔性導(dǎo)電材料通過(guò)機(jī)織、刺繡或印刷等方式制成紡織基電極板，以泡沫、間隔織物、橡膠等彈性材料為電介質(zhì)層，這種柔性電容傳感器與紡織品結(jié)合制成傳感器，可通過(guò)接觸式感應(yīng)、非接觸式感應(yīng)、壓力感應(yīng)、肌肉活動(dòng)感應(yīng)、運(yùn)動(dòng)感應(yīng)等方式進(jìn)行傳感，如壓力傳感器能夠把壓力產(chǎn)生的微小位移轉(zhuǎn)化成電容的變化，從而反映外界條件的變化[36，37]。

電容傳感器在紡織領(lǐng)域較多地用于醫(yī)療保健相關(guān)的生理監(jiān)測(cè)，可監(jiān)測(cè)人體大部分生理參數(shù)。用于人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)的傳感器，將電極放在人體脖子、胸膛、手腕及大腿部位監(jiān)測(cè)人體肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的變化可獲取人體咀嚼、吞咽、說(shuō)話等動(dòng)作信息。

柔軟舒適的接觸式紡織電容性傳感器已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，相對(duì)較容易植入紡織品中，但是其包含的介電材料較容易受到環(huán)境濕度的影響，且需要一個(gè)最小的感應(yīng)閾值。

2 智能紡織材料系統(tǒng)及其分類(lèi)

一個(gè)完整的智能紡織材料系統(tǒng)至少包括感知單元、反饋單元和響應(yīng)單元，感知單元能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化進(jìn)行感知，如電、光、熱等，處理器主要負(fù)責(zé)信息的分析處理，驅(qū)動(dòng)器主要執(zhí)行指令，控制材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化適應(yīng)環(huán)境[38]。此外，智能紡織材料系統(tǒng)還需要電源系統(tǒng)以及人機(jī)交互通信設(shè)備，人機(jī)交互設(shè)備主要分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，電源系統(tǒng)包括傳統(tǒng)的高效能電池以及收集人體能量、太陽(yáng)能的供電系統(tǒng)[39]。

從智能紡織材料系統(tǒng)自身的功能來(lái)看，主要有“能量功能”和“外部通信功能”2種功能。能量功能是指智能紡織系統(tǒng)電源供應(yīng)的方式，有能量功能的智能紡織系統(tǒng)包含高效能電池，系統(tǒng)自身可提供能量供應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部電池電量耗盡時(shí)需要更換電池。無(wú)能量功能的智能紡織系統(tǒng)不包含電池，系統(tǒng)自身不能提供能量，需要借助外部提供的能量才能正常工作，如人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱能、太陽(yáng)能等。外部通信功能是指智能紡織系統(tǒng)與外界是否發(fā)生信息交流，有通信功能的智能紡織系統(tǒng)包括與外界環(huán)境發(fā)生單向或雙向通信交流。交流的方式可由用戶(hù)直接感知，如人體通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)等感覺(jué)器官直接感知系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)；也可由電子元件感知后再傳遞給用戶(hù)，如電子元件感知信號(hào)后，通過(guò)發(fā)出聲響或發(fā)射電磁波、光波等形式將信號(hào)傳遞給用戶(hù)。無(wú)通信功能的智能紡織系統(tǒng)不與外界環(huán)境發(fā)生交流，但是也不排除系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)發(fā)生交流，如一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)發(fā)生信息交流。

基于智能紡織系統(tǒng)是否有“能量功能”和“外部通信功能”這2個(gè)功能，可以將智能紡織系統(tǒng)劃分為4大類(lèi)，即“無(wú)能量無(wú)通信功能（NoE-NoCom）”、“無(wú)能量有通信功能（NoE-Com）”“有能量無(wú)通信功能（ENoCom）”、“有能量有通信功能（E-Co m）”4類(lèi)。

2.1 無(wú)能量無(wú)通信功能的智能紡織系統(tǒng)

無(wú)能量無(wú)通信功能的智能紡織系統(tǒng)不包含電池，同時(shí)系統(tǒng)也不與外界環(huán)境發(fā)生通信交流，系統(tǒng)借助外界光、電、熱等刺激為系統(tǒng)提供能量，如形狀記憶材料或相變材料制成的服裝自身不含電池，由外部環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)提供熱能，溫度的升降作為刺激源，刺激材料發(fā)生行為改變。

2.2 有能量無(wú)通信功能的智能紡織系統(tǒng)

有能量無(wú)通信功能的智能紡織系統(tǒng)自身可提供能量，一般通過(guò)系統(tǒng)自帶的電池提供電能，同時(shí)系統(tǒng)不與外界環(huán)境發(fā)生通信交流，此類(lèi)系統(tǒng)一般包含能量轉(zhuǎn)換電子元器件，可貯存能量以備電池用完后提供持續(xù)功能。如光伏紡織品，可以將光能轉(zhuǎn)換成電能貯存起來(lái)，當(dāng)紡織品自帶的電池電量用完后可延緩一段時(shí)間更換電池，為用戶(hù)提供方便[40]。再如，帶有機(jī)電換能器的鞋子，機(jī)電換能裝置可將人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能存貯起來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)自帶電池電量用完后，可延緩一段時(shí)間，不必立即更換。

2.3 無(wú)能量有通信功能的智能紡織系統(tǒng)

無(wú)能量有通信功能的智能紡織系統(tǒng)自身不能提供能量，但是系統(tǒng)能與外界環(huán)境發(fā)生單向或雙向的通信交流，如患者用呼吸監(jiān)測(cè)器，該智能系統(tǒng)將作用于傳感器的力學(xué)刺激轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給系統(tǒng)，系統(tǒng)接收信號(hào)進(jìn)行分析處理后即對(duì)外界環(huán)境發(fā)射無(wú)線電波，醫(yī)生通過(guò)探測(cè)器接收此無(wú)線電波，此種交流方式為系統(tǒng)感知信號(hào)再傳遞給用戶(hù)[41]。由熱致變色顏料染成的嬰兒睡衣褲，當(dāng)溫度升高超過(guò)規(guī)定閾值，染料顏色發(fā)生改變，給父母或其他人員視覺(jué)的警告信號(hào)，此種交流方式為用戶(hù)直接感知系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)。或者用光致變色纖維制成的床單、病號(hào)服，可通過(guò)床單顏色的變化實(shí)時(shí)觀測(cè)病人體溫變化，判斷病人有無(wú)發(fā)燒情況[42，43]。

2.4 有能量有通信功能的智能紡織系統(tǒng)

有能量有通信功能的智能紡織系統(tǒng)自身可提供能量，且系統(tǒng)還能與外界環(huán)境發(fā)生單向或雙向通信交流，如化工廠工人使用的監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)自帶電池供電，將作用于傳感器的化學(xué)刺激信息傳遞給內(nèi)部系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分析處理，隨后將通過(guò)顏色的改變或發(fā)出聲音的方式將信息傳遞給外界環(huán)境，由人眼或人耳接收。裝有熱探測(cè)器的消防防護(hù)服，自帶電池提供能量，防護(hù)服的胸、背等部位裝有熱傳感器，該系統(tǒng)可將作用于熱傳感器的熱刺激物（溫度）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給系統(tǒng)內(nèi)部，隨后系統(tǒng)向外界環(huán)境發(fā)射光信號(hào)，消防員通過(guò)光信號(hào)判斷消防服所經(jīng)受的溫度[44]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)材料技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及微電子技術(shù)研究的深入，給智能紡織品的研究開(kāi)發(fā)提供了更廣闊的空間。智能服裝的出現(xiàn)不僅符合紡織服裝行業(yè)“低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展理念，同時(shí)利用這種多學(xué)科交叉開(kāi)發(fā)的高附加值的織物也促進(jìn)了整個(gè)紡織行業(yè)的發(fā)展。

[1]曹立輝.智能服裝材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究[J].浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,9(3):25-28.

[2]張金升,龔紅宇,劉英才,等.智能材料的應(yīng)用綜述[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào),2002,32(3):295-300.

[3]賀昌城,顧振亞.關(guān)于智能材料概念的探討[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,20(5):42-45.

[4]奚利飛,鄭俊平,等.智能材料的研究現(xiàn)狀與展望[J].材料導(dǎo)報(bào),2003,17(9):235-237.

[5]張雄.石墨烯基柔性纖維超級(jí)電容的電極材料研究[D].蘇州:蘇州大學(xué),2015.

[6]張新民.智能材料研究進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2013,(6):57-62.

[7]張?，?方東根.智能纖維及智能紡織品的研究與開(kāi)發(fā)[J].紡織導(dǎo)報(bào),2015,36(6):103-106.

[8]方東根,沈雷.智能服裝材料及其在安全性服裝中的應(yīng)用[J].紡織學(xué)報(bào),2015,36(12):158-163.

[9]姜懷.智能紡織品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013,6-11.

[10]ISO/PDTR 00248435 Textiles and Textile products-Smart.textiles-Definitions, categorisations, applications and standardization needs[S].

[11]葛婧媛,楊文芳.變色材料在紡織品上的應(yīng)用[J].染整技術(shù),2007,29(10):5-9.

[12]徐棟,陳宏書(shū),王結(jié)良.變色材料的研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程.2011,34(3):87-89.

[13]方東根,沈雷.智能服裝材料研究概述[J].針織工業(yè),2016,44(1):34-38.

[14]Tao X.Handbook of Smart Textiles[J]. Springer, 2015.

[15]沈月慶,陸春華,許仲梓.光致變色材料的研究與應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào),2005,19(10)：31-35.

[16]陶肖明,張興祥.智能纖維的現(xiàn)狀與未來(lái)[J].棉紡織技術(shù),2002,30(3):139-144.

[17]Lendlein A,Kelch S.Shape-memory polymers [J].Angewandte Chemie International Edition, 2002,41(12):2034-2057.

[18]何天白,胡漢杰.功能高分子與新技術(shù)[M].北京:化工工業(yè)出版社,2001,178-181.

[19]郭茶秀,陳俊.相變儲(chǔ)能材料的研究與應(yīng)用新進(jìn)展[J].安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,20(2):1-3.

[20]徐偉亮.常低溫固-液相變材料的研制和應(yīng)用[J].現(xiàn)代化工,1998,19(4):14-16.

[21]杜文豪,張慧萍,晏雄.相變材料及其在紡織品中的應(yīng)用與展望[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2008,26(12):36-39.

[22]Wright J R,Sloan M R,Evan K E.Tensile properties of helical auxetic structures:a numerical study[J]. Journal of Applied Physics,2010,108(044905):1-8.

[23]楊麗.相變材料微膠囊的制備及在涂層和熔融紡絲中的應(yīng)用[D].北京:北京服裝學(xué)院,2007.

[24]葉鋒,曲江蘭,仲俊喻,等.相變儲(chǔ)熱材料研究進(jìn)展[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào),2010,10(6):1231-1238.

[25]史永基,曹慧敏,等.智能材料和智能結(jié)構(gòu)—形狀記憶材料[J].傳感器世界,2010,16(9):6-11.

[26]丁希凡.形狀記憶材料在紡織服裝中的應(yīng)用[J].紡織科技進(jìn)展,2004,26(1):26-28.

[27]張靜.形狀記憶聚合物及其在智能紡織品中的應(yīng)用[J].上海紡織科技,2004,32(2):1-2.

[28]錢(qián)軍.智能凝膠高分子材料在紡織中的運(yùn)用[J].中國(guó)纖檢,2008,(11):72-73.

[29]李倩,徐軍.智能凝膠在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用[J].合成纖維,2007,(3):26-28.

[30]周銘,杜趙群.負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)紡織材料的研究進(jìn)展[J].紡織學(xué)報(bào),2014,35(2):99-106.

[31]田蒔,徐永利.智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)中的壓電材料[J].功能材料,1996,27(2):103-108.

[32]馬艷麗,劉茜,劉瑋.用于智能紡織品的柔性傳感器研究進(jìn)展[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(4):1-3. [33]楊璇.電致發(fā)光服裝的現(xiàn)狀分析及未來(lái)展望[J].大眾文藝,2014,59(6):79.

[34]Deflin E,錢(qián)和生,黎明校.發(fā)光纖維織物—一種新型的柔性顯示器[J].國(guó)外紡織技術(shù),2002,(11): 4-7.

[35]劉漢輝.光電技術(shù)在紡織中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2012,(14):130.

[36]Hwang K J,Lin T T.Effect of morphology of polymeric membrane on the performance of cross-flow microfiltration[J].Journal of Membrane Science,2002,199(1-2):41-52.

[37]王曉峰,王大志,梁吉,等.雙電層電容器及其復(fù)合電源系統(tǒng)的研制[J].電子學(xué)報(bào),2002,30(8):1100-1103.

[38]李昕.電子智能紡織品的研究進(jìn)展[J].輕紡工業(yè)與技術(shù),2013,44(12):51-53.

[39]丁永生.智能服裝理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2013,5-7.

[40]黃雅婷.光伏紡織品[J].印染,2015,(5):55-57.

[41]魏守一,李勝利.健康監(jiān)護(hù)用智能服裝研究新進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2009,15(9):18-23.

[42]Van Der Werff L,Kyratzis I L,Robinson A, et al.Thermochromic composite fibres containing liquid crystals formed via melt extrusion [J].Journal of Materials Science,2013,48(14): 5005-5011.

[43]高燕.熱致變色微膠囊的制備及在紡織上的應(yīng)用研究[D].上海:東華大學(xué),2015.2-3.

[44]王黎明,沈勇,彭慧靜.智能型防護(hù)紡織品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].上海紡織科技,2009,37(12):3-4.

Overview of smart textile material and smart textile system

LUO Sheng-li1, ZHANG Yu-qun1, GONG Yan2, HE Ning2, HUANG Qian-yu1
(1.Guangzhou Fiber Product Testing and Research Institute, Guangzhou, Guangdong 511447, China; 2.Beijing Institute of Fashion Technology, Beijing 100029, China; 3.Yantai Nanshan University, Yantai, Shandong 265713, China; 4.The Hong Kong polytechnic university, Hong Kong Special Administrative Region 999077, China)

Smart textiles, as a research hotspot in the 21st century, are the new developing trend of textiles. This paper mainly introduced nine kinds of smart textile materials and their application in the textile field, including photochromic textile material, phase change textile material, shape memory textile materials, super-absorbing polymers and gels, auxetic textile materials, piezoelectric textile material, electroluminescent textile materials, photovoltaic textile materials and capacitive textile materials. Then the paper classified the smart textile systems into four categories according to the energy function and communication function, and introduced each kind of textile system, respectively.

smart material; textile material; textile system

TB381

A

1001-5922（2017）03-0023-06

2016-10-31

羅勝利（1981-），女，博士，從事紡織品檢測(cè)技術(shù)研究。E-mail：luoshengli20@163.com。

國(guó)家質(zhì)檢總局科研項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)2016QK036）。