智能紡織纖維材料的應(yīng)用研究

丁 帥，萬 艷，李勝凱

(1.山東省紡織科學(xué)研究院，山東 青島 266032； 2.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點實驗室， 山東 青島 266032； 3.青島市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗技術(shù)研究所，山東 青島 266000)

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智能紡織纖維材料的應(yīng)用研究

丁 帥1，2，萬 艷3，李勝凱1

(1.山東省紡織科學(xué)研究院，山東 青島 266032； 2.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點實驗室， 山東 青島 266032； 3.青島市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗技術(shù)研究所，山東 青島 266000)

智能紡織品作為高技術(shù)、高附加值的紡織產(chǎn)品，代表著未來紡織行業(yè)發(fā)展的方向，智能紡織纖維材料是發(fā)展智能紡織品的基礎(chǔ)。本文詳細介紹了目前智能紡織纖維的種類、功能及原理，著重介紹了熱能存儲纖維、電子纖維和智能紡織材料三種智能纖維特性及應(yīng)用，為相關(guān)研究人員、科研機構(gòu)及企業(yè)提供一定參考。

智能紡織品；熱存儲纖維；電子纖維

1 引言

智能材料不再是只存在于科幻電影中的想象，而是真實的材料，已經(jīng)應(yīng)用于我們生活的各個方面，它能夠?qū)Ω泄俸椭車h(huán)境做出相應(yīng)地反應(yīng)，實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。智能材料有很多種類，包括熱調(diào)節(jié)材料、形狀記憶材料、含鉻材料、發(fā)光材料、傳導(dǎo)材料、光電池材料、薄膜材料和應(yīng)用于軍事上的智能材料[1]，這篇文章主要探討了智能材料在紡織方面的應(yīng)用。

智能紡織材料能夠?qū)Ω泄俸铜h(huán)境條件做出反應(yīng)，針對機械、熱、化學(xué)、電能或磁等刺激實現(xiàn)不同的功能。不斷革新的技術(shù)和不同領(lǐng)域的需求會推動智能材料的發(fā)展進入新的階段。根據(jù)智能材料的不同功能，可以將其分為4類：被動智能材料即只能對環(huán)境條件起反應(yīng)；積極智能材料即能夠感知或者對刺激和特定條件起反應(yīng)；聰明材料即能夠根據(jù)條件感知、反應(yīng)或者調(diào)整自己；智能材料即能夠反應(yīng)或者激活一定功能。

目前的智能材料必須配有感應(yīng)器等將物理信號轉(zhuǎn)化為電信號的電子元件。傳統(tǒng)的感應(yīng)器或者測量器由于機械構(gòu)造和元件組成的原因不與紡織材料相匹配，隨著科技迅猛發(fā)展，新一代感應(yīng)器已被研發(fā)出來。感應(yīng)器的五個主要功能是：感應(yīng)、數(shù)據(jù)處理、執(zhí)行機構(gòu)、存儲和交流。

圖1 智能紡織材料的工作流程

2 執(zhí)行系統(tǒng)的概念

感應(yīng)器像神經(jīng)系統(tǒng)一樣檢測信號，并且紡織品本身也可作為感應(yīng)器。處理器分析和評估信號，執(zhí)行器據(jù)此做出動作。系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作可以實現(xiàn)使材料運動、加熱、發(fā)出聲音、釋放物質(zhì)或執(zhí)行其他操作。

智能紡織纖維材料特點在于可以從不同層次引入，可以引入到纖維層或涂層，其線材可以設(shè)置在紡織材料中，緊密連接獨立應(yīng)用元件。大多數(shù)元件會將信號轉(zhuǎn)化為電信號，電導(dǎo)材料對于智能材料是至關(guān)重要的。因此，研究人員應(yīng)致力于以下領(lǐng)域的探索：光敏材料、光學(xué)纖維、傳導(dǎo)聚合物、熱敏材料、形狀記憶材料、智能涂層、化學(xué)反應(yīng)材料、微膠囊和納米材料[2-3]。

3 應(yīng)用于智能紡織的纖維材料

3.1 熱存儲纖維

3.1.1 原理

在加熱過程中，任何材料都會吸收熱量而溫度升高。在反向降溫過程中，材料吸收的熱量將會釋放到環(huán)境中去，在這個過程中，材料溫度不斷降低。正常的紡織材料吸收熱量的速率為1 kJ/kg ，溫度上升1℃。比較而言，相變材料在融化過程中吸收的熱量大大增加。相變材料的溫度在結(jié)晶過程中不變化，其在融化和結(jié)晶過程中，雖有大量熱能傳輸，但并沒有溫度的變化，這一點使得相變材料非常適合存儲熱能。石蠟相變材料融化狀態(tài)下，吸收熱量的速率大約是200 kJ/kg。對于其它紡織材料，若要吸收等量熱量，溫度將會升高176.85℃。石蠟在融化過程中吸收的高熱能在冷卻過程中可以從結(jié)晶溫度開始，釋放到周圍環(huán)境中。很明顯相對于常規(guī)紡織品，在紡織品中加入石蠟，能大大提高紡織品的儲熱能力。在完全的融化過程中，石蠟的溫度和周圍環(huán)境保持一致。應(yīng)用于紡織品中的石蠟是固體或者液體。為防止石蠟溶解，可將它們置于只有幾微米大小的塑料膠囊中，這些膠囊因此也稱為相變材料微膠囊。石蠟微膠囊化以后可以永久鎖定在丙烯酸纖維中或者涂抹在織物表面[4]。

圖2 熱能調(diào)節(jié)材料

3.1.2 應(yīng)用

服用性好的衣物應(yīng)該能夠在穿衣者運動時，使身體產(chǎn)生的熱能和散發(fā)到環(huán)境中的熱能之間達到平衡，普通紡織材料做不到這一點，穿衣者在運動中所產(chǎn)生的熱量不能全部散發(fā)到環(huán)境中，造成熱能堆積。如果穿衣者接下來休息，由于身體產(chǎn)生的熱能大大減少，穿衣者又很可能陷入低體溫的境況。熱存儲纖維此時就顯示出了獨特的作用，當身體產(chǎn)生大量熱能時，可以將這些熱能收集起來，當人體處于相對靜止的時候時，又將熱能釋放出來，在以人體為中心的小環(huán)境中達到熱能平衡。

3.2 電子纖維

3.2.1 性能

電子纖維主要由兩種組成，第一種電子纖維是將二極管、晶體管和太陽能電池等現(xiàn)成的電子元件直接編織到紡織品中，稱為纖維電子件。第二種是傳統(tǒng)電子元件與纖維共同使用，例如集成電路、導(dǎo)線、LED和織造在服裝中的傳統(tǒng)電池，這是最常見的一種電子纖維產(chǎn)品。

將電子纖維應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以監(jiān)測病人的血壓、脈搏和體溫等指標。目前，研發(fā)人員已經(jīng)開發(fā)出一種智能監(jiān)測服裝，不但能夠準確讀出穿戴者的各種體征指標，還能將這些數(shù)據(jù)和GPS定位一起發(fā)到信息中心。這樣，如果病人遇到緊急情況，信息中心就會通知急救中心，并告知具體病情，使病人能夠第一時間得到救治[5]。通常情況下，會在智能服裝的腋窩位置安裝靈敏溫度傳感器，讀數(shù)實時同步顯示在一塊腕表上，方便穿戴者自己隨時了解身體狀況。

傳導(dǎo)纖維是一種新型電子纖維，在信號傳輸方面應(yīng)用廣泛，效果良好。以歐旦紗,又名柯根紗為例，可將其覆蓋在絲織物的表面。緯紗是絲綢纏繞在細銅箔上，經(jīng)紗是平紋絲綢，這種結(jié)構(gòu)類似于導(dǎo)線外面包裹了一層膠布，傳導(dǎo)性非常強。絲綢有張力很高，能承受與機器摩擦產(chǎn)生的高溫，纖維之間的空隙使織物好像是一條一條的“電纜”，以實現(xiàn)其功能性。

3.2.2 應(yīng)用

walkie-talkie—步話機服飾是將音頻傳輸系統(tǒng)用魔術(shù)貼或者其他方式固定在衣服表面，并在恰當?shù)奈恢冒惭b好發(fā)射器和接收器，它們可以分別用來發(fā)射和接收信號，兩者距離越近，所產(chǎn)生的信號越強。電能提供采用9 V電池，衣服里面的金屬纖維當做“導(dǎo)線”，此時，步話機服飾就可以實現(xiàn)其功能。

3.3 智能紡織品

3.3.1 智能紡織品與醫(yī)療保健的緊密聯(lián)系

醫(yī)護領(lǐng)域需要使用大量的藥物保健功能紡織品，因此這是高附加值尖端紡織品的用武之地。目前，在醫(yī)護領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)并且得到應(yīng)用的一項發(fā)明就是“可穿著計算機”。還有一種傳導(dǎo)纖維，可以通過發(fā)射器把感應(yīng)信號發(fā)送到一個帶有接收器的智能襯衣。這些智能服裝可以與因特網(wǎng)相連，并且顯示、分析、記錄、存儲、傳輸生理數(shù)據(jù)，便于醫(yī)護人員精準掌握穿衣者的健康狀態(tài)。

現(xiàn)在人們普遍要面對新的問題：生活期望值的提高，人口老齡化，讓殘疾人更好地融入到社會生活中和不斷增加的慢性病?？刂萍膊∫簿妥兊梅浅Ｖ匾?。據(jù)統(tǒng)計，70%～80%的死亡病例都是因為七大疾?。盒呐K病、癌癥、糖尿病、關(guān)節(jié)炎、慢性支氣管炎、流感和哮喘。對于這些疾病，早期干預(yù)是非常有效的。因為早期干預(yù)的醫(yī)療成本非常昂貴，所以可穿著的電子元件和智能紡織品的重要性就浮現(xiàn)出來了。智能服裝可以長期監(jiān)控穿衣者的健康狀態(tài)，并且不干擾穿著者的正常生活，因此可以解決許多困擾，比如脊椎有傷的病人，感知困難的人，居家老人或者小嬰兒。由于它價格相對低廉，能與穿衣者很好地融合，所以發(fā)展前景非常廣闊。智能衣物可以把穿戴者的生理指標實時遠程地發(fā)送給監(jiān)測中心，醫(yī)務(wù)人員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)準確掌握情況，并在必要的情況下開處方藥[6]。

由于穿戴醫(yī)用智能紡織品的客戶多為有特殊需求的病人，所以智能纖維除了要有傳統(tǒng)紡織品的吸濕、透氣和環(huán)保功能以外，還需要符合其他的特殊要求。智能纖維的原材料在成分、耐穿性、織造方式、強力和色牢度等方面要符合國家相關(guān)標準，目前應(yīng)用的纖維主要有色譜纖維、傳導(dǎo)纖維和記憶存儲纖維等。

3.3.2 應(yīng)用

智能纖維紡織材料在醫(yī)用護理方面上的應(yīng)用非常廣泛，也非常有必要。主要有三方面的作用，即感應(yīng)作用、傳輸作用和執(zhí)行作用，其中最常見的應(yīng)該是感應(yīng)作用、傳輸作用。相對于傳統(tǒng)纖維，智能纖維材料特殊，不僅要具備傳統(tǒng)服裝的舒適和耐穿特性，還需要一些特殊的、有針對性的維護，這樣才能保證智能原件對身體的不同信號做出準確、靈敏的反饋。另外，很多智能纖維還可以作為“存儲U盤”，保存生理指標數(shù)據(jù)，以便于日后分析。

4 結(jié)論

新型智能化紡織品是高科技功能型紡織品。它可以提高生活質(zhì)量、增加產(chǎn)品附加值、改善勞動條件、滿足特種行業(yè)需求，勢必將更多地出現(xiàn)在應(yīng)用市場上。同時，由于此類產(chǎn)品日益引起人們的興趣，必然會促進消費，推動消費引導(dǎo)型經(jīng)濟不斷向前。開發(fā)智能型紡織品需要染、整、纖維、剪、裁、縫、紡、織的全面配合和多學(xué)科的共同作用。將來一定會有更多的科技人才涌入到這一全新領(lǐng)域，使人們的生活發(fā)生翻天覆地的變化。

[1] 庾莉萍.金屬纖維特性及其開發(fā)應(yīng)用[J]. 金屬制品，2009， 35(3)：45—49.

[2] 楊曉，劉妍.金屬纖維混紡織物力學(xué)性能研究[J].青島大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版)，2008， 23(1)：18—20.

[3] 胡志波，武繼松，蔡少林.導(dǎo)電纖維及其抗靜電織物設(shè)計[J].陜西紡織，2011，(1)：58—59.

[4] 金永良.金屬纖維的性能特點及產(chǎn)品開發(fā)[J].棉紡織技術(shù)，2003，31(5)：28—31.

[5] 石風俊，鄭德均.金屬纖維混紡屏蔽織物屏蔽功能[J].紡織科技進展，2006，(3)：37—38.

[6] 王建忠，奚正平，湯慧萍，等.金屬纖維電磁屏蔽材料的研究進展[J].稀有金屬材料與工程，2011，40(9)：1688—1692.

Research and Application of Intellectual Textile Fiber Material

DingShuai1,2,WanYan3,LiShengkai1

(1.Shandong Textile Science& Research Institute, Qingdao 266032, China; 2.Shandong province key laboratory of special textile process technology, Qingdao 266032, China; 3.Qingdao Product Quality Inspection Institute, Qingdao 266000, China)

Intelligent textile is high technology and high added value product, it represents development direction of textile. Intellectual textile fiber is the basis of developing intellectual textile. In this paper, types, function and principle of intellectual textile were summarized. Characteristics and applications of thermal storage fiber, electric fiber and intelligent fabric material were particularly presented. It provides references to relative researchers, research institutions and enterprises.

intelligent textile; heat restore fiber; electric fiber

2017-03-15

丁 帥(1978—)，女，山東青島人，高級工程師。

TS102.52

A

1009-3028(2017)03-0054-03