智能紡織品的分類及其應(yīng)用

白 潔

(中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì)，北京 100025)

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，紡織行業(yè)的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，“科技、時(shí)尚、綠色”成為行業(yè)的新標(biāo)簽，產(chǎn)業(yè)范圍涵蓋高品質(zhì)高性能纖維制造業(yè)、高端紡織智能制造業(yè)、以服裝服飾品牌為代表的時(shí)尚產(chǎn)業(yè)等，產(chǎn)品應(yīng)用也從生活衣著領(lǐng)域延伸到醫(yī)療與衛(wèi)生、生態(tài)與環(huán)保、軍工與航天等領(lǐng)域。發(fā)達(dá)國(guó)家也相繼出臺(tái)了紡織領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略，重新把國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)聚焦在紡織領(lǐng)域，如美國(guó)提出了“智能紡織計(jì)劃”，成立了“革命性纖維與織物制造研究中心”；德國(guó)制定了“未來(lái)紡織”的國(guó)家戰(zhàn)略，并組建了“德國(guó)未來(lái)紡織聯(lián)盟”。而我國(guó)工業(yè)和信息化部印發(fā)的紡織工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃中“智能紡織”這個(gè)關(guān)鍵詞也多次出現(xiàn)，提出要加強(qiáng)電子技術(shù)、信息技術(shù)與紡織技術(shù)的結(jié)合，發(fā)展智能紡織產(chǎn)品[1]。由此可見(jiàn)，紡織行業(yè)即將面臨大變革，智能紡織品的發(fā)展前景不可限量，智能紡織品將成為紡織服裝行業(yè)未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向和重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

本文在研究已有智能材料、智能紡織品等相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從智能紡織品的基本概念入手，梳理總結(jié)了智能紡織品的主要種類及其應(yīng)用情況，簡(jiǎn)要預(yù)測(cè)了智能紡織品的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為智能紡織品的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 基本定義

1.1 智能材料

“智能材料”這一概念最早是由日本的高木俊宜教授提出，他于1989年，將信息科學(xué)的內(nèi)容與材料結(jié)構(gòu)和功能相融合，提出了此概念。智能材料是指材料自身可感知外部刺激，并根據(jù)外部條件的變化，做出相應(yīng)的反應(yīng)、執(zhí)行完成相應(yīng)的行動(dòng)[2]。一般來(lái)說(shuō)，智能材料是具有傳感功能、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)能力等七大功能的新型功能材料。

1.2 智能紡織材料

智能紡織材料是指材料除了具備普通紡織材料的外觀風(fēng)格和服用性能外，還能感知外部環(huán)境變化，通過(guò)改變自身的一種或多種性能參數(shù)做出反饋，從而響應(yīng)外部環(huán)境，自我調(diào)整以達(dá)到與環(huán)境相適應(yīng)的一種新型紡織材料[3]。

1.3 智能紡織品

智能紡織品是指以智能紡織纖維為原料，通過(guò)紡紗、織造等工藝最后獲得的紡織品，或者是將其他的智能材料與紡織品進(jìn)行組合而得到的具有智能性的紡織品[4]。智能紡織品本身是一個(gè)包含感知單元、反饋單元和響應(yīng)(執(zhí)行)單元的體系，它相較于智能纖維更容易通過(guò)整合感知元件、反饋元件和響應(yīng)元件，達(dá)到“智慧化”的目的[5]。

2 智能紡織品的分類

目前，智能紡織品分為消極(被動(dòng))智能紡織品、積極(主動(dòng))智能紡織品和高級(jí)智能紡織品[6]。

2.1 消極智能紡織品

消極智能紡織品僅僅能感知外界環(huán)境的變化或刺激，但不能根據(jù)外界變化進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，為第1代智能紡織品。如抗紫外線服裝、抗菌紡織品、陶瓷涂層紡織品、光導(dǎo)織物等都屬于消極智能紡織品。其實(shí)，消極智能紡織品還達(dá)不到嚴(yán)格意義上的智能紡織品的范疇，更準(zhǔn)確的應(yīng)該稱之為功能性紡織品。

2.2 積極智能紡織品

積極智能紡織品不僅能感知外界環(huán)境的變化或刺激，并可根據(jù)外界變化做出相應(yīng)的反應(yīng)，為第2代智能紡織品。如形狀記憶紡織品、防水透濕紡織品、相變蓄熱服裝、光熱致變色紡織品等都屬于積極智能紡織品。

2.3 高級(jí)智能紡織品

高級(jí)智能紡織品又稱超智能紡織品、適應(yīng)型智能紡織品等，為第3代智能紡織品，涉及通信、傳感、人工智能、生物等多門(mén)高科技學(xué)科。它能感知外界環(huán)境的變化或刺激，并做出相應(yīng)的反應(yīng)，通過(guò)自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)外界環(huán)境[7]。目前，高級(jí)智能紡織品仍處于起步階段，有待進(jìn)一步研究。

3 智能紡織品的主要種類及其應(yīng)用

3.1 智能變色紡織品

3.1.1智能變色紡織品的定義及分類

智能變色紡織品是指隨外界刺激(如光、電、壓力、溫度等)的變化而發(fā)生色澤改變的紡織品。這類智能紡織品主要包括光致變色紡織品、溫致變色紡織品、電致變色紡織品、壓致變色紡織品、濕致變色紡織品等[8]。

光致變色紡織品是在不同光波作用下，物質(zhì)A向其異構(gòu)體物質(zhì)B轉(zhuǎn)化而出現(xiàn)的變色效果，A、B 2種物質(zhì)具有不同的吸收光譜和能級(jí)結(jié)構(gòu)，撤去光源或者改換另一種光源，B再轉(zhuǎn)化成A，顏色又回到初始色澤[9]；溫致變色紡織品是由于織物上的顏料分子結(jié)構(gòu)可隨溫度發(fā)生變化，從而引起顏色變化；電致變色紡織品是指材料的光學(xué)性能(反射率、吸收率、透光率等)在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化；壓敏變色紡織品是通過(guò)導(dǎo)電纖維經(jīng)緯交織形成的矩陣感知織物受壓部位，發(fā)生的顏色變化。

3.1.2智能變色紡織品的應(yīng)用

智能變色紡織品服用性能較好，可用于民用、軍用、高危行業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。軍用領(lǐng)域，可用于軍事偽裝，如可控變色迷彩服；醫(yī)用領(lǐng)域，可用于醫(yī)療監(jiān)測(cè)，如嬰兒服裝，通過(guò)服裝顏色變化來(lái)監(jiān)測(cè)嬰兒是否發(fā)燒；特殊職業(yè)的安全防護(hù)，如穿著者長(zhǎng)期曝露在化學(xué)危害物或強(qiáng)輻射環(huán)境中，衣服顏色會(huì)變化；數(shù)碼領(lǐng)域，如電致變色服裝，可在服裝上實(shí)現(xiàn)電視屏幕一般的功能；時(shí)尚領(lǐng)域，如光致變色遮陽(yáng)傘、光致變色T恤等。光致變色T恤見(jiàn)圖1[10]。

圖1 光致變色T恤

3.2 智能溫控紡織品

3.2.1智能溫控紡織品的定義及分類

智能溫控紡織品按照其對(duì)外界溫度的刺激反應(yīng)方式，可分為保溫紡織品、降溫紡織品、自動(dòng)調(diào)溫紡織品3大類[11]。

保溫紡織品是通過(guò)陽(yáng)光蓄熱纖維或遠(yuǎn)紅外纖維起到保溫效果。陽(yáng)光蓄熱纖維是將吸收到的太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光和近紅外線，通過(guò)熱量形式輻射到人體，以達(dá)到保溫的效果；遠(yuǎn)紅外纖維是將人體自身散發(fā)的熱量轉(zhuǎn)化成一定波長(zhǎng)范圍的遠(yuǎn)紅外線再重新輻射給人體，以加速血液循環(huán)的方式來(lái)降低熱量損失，達(dá)到保溫的效果，因此遠(yuǎn)紅外纖維的保溫性能更好。

降溫紡織品主要包括紫外線和熱屏蔽織物、涼爽織物、散熱織物等。紫外線和熱屏蔽織物是在聚合物溶體中均勻摻入能反射紫外線的細(xì)陶瓷粉末再紡成纖維，其對(duì)可見(jiàn)光和近紅外線吸收率較低，從而使人體產(chǎn)生涼爽感，這種織物內(nèi)的溫度比常規(guī)棉織物低2～4 ℃；涼爽織物是在聚酯纖維中添加金屬氧化物，通過(guò)金屬氧化物減弱服裝因紫外線和光照引起的褪色，使衣服內(nèi)部涼爽，它比常規(guī)棉織物可降低5～10 ℃；散熱織物是在纖維內(nèi)混合金屬粉末涂層，使人體散發(fā)的熱量能以Fe、Cu、Al、Zn等熱傳導(dǎo)性能高的金屬粉末為媒介，快速向外界散發(fā)[12]。

自動(dòng)調(diào)溫紡織品可雙向調(diào)節(jié)溫度，一般是由相變技術(shù)與纖維制造技術(shù)相結(jié)合，它能夠根據(jù)環(huán)境溫度升降而相應(yīng)的吸放熱能。

3.2.2智能溫控紡織品的應(yīng)用

智能控溫紡織品可用于民用服裝，如降溫背心、運(yùn)動(dòng)服、滑雪服等，降溫背心見(jiàn)圖2[10]；職業(yè)服裝，如航天服、消防服、潛水服等；醫(yī)用方面，可制作恒溫繃帶保護(hù)傷口，防止局部溫度過(guò)高或過(guò)低；汽車制造方面，可用于汽車內(nèi)部的座椅及車頂部位等[13]。

圖2 降溫背心

3.3 形狀記憶紡織品

3.3.1形狀記憶紡織品的定義及分類

形狀記憶紡織品是指受到外部刺激(如溫度、濕度、光、磁場(chǎng)、pH值)后，織物的外形、尺寸或內(nèi)部結(jié)構(gòu)可發(fā)生改變，但在特定條件刺激下又能回復(fù)初始狀態(tài)的紡織品[14]，主要包括形狀記憶合金類紡織品、形狀記憶聚合物類紡織品和形狀記憶水凝膠類紡織品。

形狀記憶合金類紡織品是指紡織品內(nèi)的金屬合金經(jīng)熱刺激后可在多種不同的晶體結(jié)構(gòu)間變換，從而引起織物變化，如金鎘合金、鎳鈦合金、銅鋁鎳合金和鋁鋅合金等；形狀記憶聚合物類紡織品是通過(guò)永久性物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)方法，植入一個(gè)活動(dòng)基質(zhì)而成的聚合物， 該基質(zhì)可儲(chǔ)存力學(xué)形變能量，待織物受外界刺激后可再恢復(fù)形變；形狀記憶水凝膠類紡織品是通過(guò)水凝膠這種能在水中溶脹，但不溶于水的高分子聚合物達(dá)到的形狀記憶[15]。

3.3.2形狀記憶紡織品的應(yīng)用

形狀記憶紡織品主要用于免燙、抗沖擊等功能領(lǐng)域及美學(xué)領(lǐng)域，如防燙傷服裝，當(dāng)服裝接觸高溫時(shí)，纖維由平面變成寶塔狀，以達(dá)到保護(hù)人體的效果；形狀記憶水凝膠類紡織品多用于海上工作人員制服；Grado Zero Espace公司研制的Oricalco服裝可在炎然的夏天自動(dòng)卷起衣袖，Oricalco服裝見(jiàn)圖3[10]；形狀記憶纖維還多用于枕頭、床墊的填充物等。

圖3 Oricalco服裝

3.4 防水透濕紡織品

3.4.1防水透濕紡織品的定義及分類

防水透濕紡織品又稱“可呼吸的織物”，是指織物在一定的水壓下不被水潤(rùn)濕，使之具有拒水性，同時(shí)，人體散發(fā)的汗液又能以水蒸氣的形式傳導(dǎo)到織物外側(cè)，不在人體表面和織物間積聚冷凝使人感到不舒適。主要包括防水透濕高密織物、微孔膜、無(wú)孔膜、智能型4種[16]。

防水透濕高密織物利用氣體分子從高濃度向低濃度擴(kuò)散的原理，當(dāng)人體出汗時(shí)，汗液可通過(guò)織物向外界擴(kuò)散，而當(dāng)織物滲濕時(shí)，纖維可橫向溶脹、間隙變小，達(dá)到防水效果；微孔膜防水透濕織物是通過(guò)雨滴直徑和水蒸氣分子直徑之間的大小差異來(lái)實(shí)現(xiàn)防水透濕的；無(wú)孔膜防水透濕織物是通過(guò)分子的親水性特點(diǎn)以提高薄膜的表面張力，以達(dá)到防水效果；智能型防水透濕織物是指織物可根據(jù)不同的環(huán)境特點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)透濕性的高低，如高溫下織物通過(guò)高透濕性以達(dá)到優(yōu)良的散熱排汗效果，而低溫下織物通過(guò)低透濕性以達(dá)到降低散熱提高取暖性的效果。

3.4.2防水透濕紡織品的應(yīng)用

防水透濕紡織品可用于軍用服裝，如飛行員服、艦艇防寒服等；特殊工種工服，如消防服、警服、手術(shù)服、極地保護(hù)服等；還可用于滑雪服、登山服、運(yùn)動(dòng)服、運(yùn)動(dòng)鞋、帳篷等[17]；日本三菱開(kāi)發(fā)的Diary和Azekura織物可用作運(yùn)動(dòng)服和嬰幼兒尿布等，它可通過(guò)體溫來(lái)控制織物透濕性。防水透濕面料見(jiàn)圖4[10]。

圖4 防水透濕面料

3.5 電子信息智能紡織品

3.5.1電子信息智能紡織品的定義及分類

電子信息智能紡織品是將柔性微電子元件與紡織品結(jié)合為一體，使傳感器能感知外界環(huán)境的變化,信息處理器處理信息，并做出判斷發(fā)出指令,再通過(guò)驅(qū)動(dòng)器改變材料的初始狀態(tài),以適應(yīng)外界環(huán)境的變化,從而實(shí)現(xiàn)自我診斷、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)等功能。根據(jù)微電子元件和紡織品結(jié)合方式不同采取的主要技術(shù)為模塊化技術(shù)、嵌入式技術(shù)和基于纖維的技術(shù)等[18]。

模塊化技術(shù)是將電子元器件作為功能模塊直接集成在紡織品上，如在織物上直接加入各類傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體溫度、心律等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)；嵌入式技術(shù)是將電子元件直接結(jié)合到部分織物中，如通過(guò)導(dǎo)電紗線連接電路板，基于織物的柔性傳感器，整合電路等[19]；基于纖維的技術(shù)是通過(guò)纖維或織物直接構(gòu)成電子元件和傳感器，如紡織品柔性顯示器、柔性壓敏材料等。

3.5.2電子信息智能紡織品的應(yīng)用

電子信息智能紡織品用途廣泛，是最有發(fā)展?jié)摿Φ闹悄芗徔椘分??？捎糜卺t(yī)療健康方面，如medical襯衣，見(jiàn)圖5[10]，可監(jiān)測(cè)穿著者的體溫、心跳、血壓等數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)院對(duì)病人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，發(fā)生緊急情況時(shí)，醫(yī)院可通過(guò)襯衣上的定位系統(tǒng)找到病人進(jìn)行急救，還有智能襪子、智能嬰兒連體衣等類似用于醫(yī)療方面的智能服裝；用于運(yùn)動(dòng)健身方面，方便用戶查看自己的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、強(qiáng)度、距離、能量消耗等運(yùn)動(dòng)參數(shù)[20]，如心率監(jiān)測(cè)文胸見(jiàn)圖6[10]、Colmar智能運(yùn)動(dòng)衣等；用于多媒體數(shù)碼產(chǎn)品方面，如music外套見(jiàn)圖7[10]，它不僅能播放用戶事先儲(chǔ)存的音樂(lè)，還能收聽(tīng)電臺(tái)節(jié)目，音樂(lè)播放功能由一個(gè)全布料電容鍵盤(pán)控制，能量主要來(lái)源是太陽(yáng)能、風(fēng)能等[21]；用于軍事方面，如嵌有超微感應(yīng)器的作戰(zhàn)服，可識(shí)別戰(zhàn)士的受傷出血部位,該部位的軍服能馬上膨脹收縮,起到止血的功效，還有智能降落傘能檢測(cè)空中和地面情況及時(shí)改變飛行方向和速度等。

圖5 medical襯衣

圖6 心率監(jiān)測(cè)文胸

圖7 music外套

4 智能紡織品的發(fā)展趨勢(shì)

智能紡織品不僅促進(jìn)了紡織業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，也將推動(dòng)顛覆性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。未來(lái)，智能紡織品的發(fā)展趨勢(shì)如下。

①單品功能更加多樣。目前，大部分單件的智能紡織品功能比較單一，應(yīng)將生理監(jiān)測(cè)、防水透濕、溫度控制等功能集中在一件服裝上，以提高單品功能的多樣化。

②服用性能更加完善。智能紡織品的研究還處于起步階段，研究方向主要集中在功能性方面，而在服裝的洗滌性、可折疊性、穿著舒適性等方面還需要不斷完善。

③產(chǎn)品更加安全、環(huán)保。特別是電子信息智能紡織品不僅要減少如電磁輻射等對(duì)人體帶來(lái)的潛在危害，還要注意產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能環(huán)保等問(wèn)題。

④價(jià)格更加親民。智能紡織品只有價(jià)格親民，被消費(fèi)者普通接受和使用，才會(huì)有更加廣闊的發(fā)展空間。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能紡織品的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在醫(yī)療與衛(wèi)生、運(yùn)動(dòng)休閑、航空航天、軍事等方面都將產(chǎn)生重大影響，在推動(dòng)紡織服裝、電子信息、材料等領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也大大提高了人們的生活質(zhì)量，為我們的美好生活增添了更多的可能性。