基于聚丙烯酰胺改性材料的智能紡織面料設(shè)計(jì)

李喆，渠夢(mèng)瑋

(1.北京服裝學(xué)院中國(guó)生活方式設(shè)計(jì)研究院，北京 100029；2.北京服裝學(xué)院材料設(shè)計(jì)與工程學(xué)院，北京 100029)

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高分子材料的開發(fā)，以及新材料在紡織品領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，擁有多重功能的智能面料成為時(shí)下紡織品領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢(shì)[1]?？v觀整個(gè)紡織產(chǎn)業(yè)，智能紡織品的出現(xiàn)改變了大家對(duì)傳統(tǒng)紡織品領(lǐng)域的認(rèn)知，不同功能性的紡織產(chǎn)品為日常生活領(lǐng)域提供了新的便利以及新的趨勢(shì)化發(fā)展[2-3]。我國(guó)國(guó)內(nèi)紡織品行業(yè)研究成果目前主要集中于紋樣圖案及工藝延展探討，相關(guān)纖維結(jié)構(gòu)及新材料研究相對(duì)欠缺。對(duì)比國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域，新型材料與智能面料開發(fā)已成為企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)的重要研究方向。該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者正在纖維、材料、紡織面料的結(jié)構(gòu)和智能化處理技術(shù)等細(xì)分的行業(yè)前沿不斷進(jìn)行新的嘗試[4]。

當(dāng)下將合適的科技成果運(yùn)用到紡織品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，是現(xiàn)實(shí)發(fā)展的趨勢(shì)。紡織品設(shè)計(jì)師可以在展示材料多樣性的同時(shí)，為紡織面料創(chuàng)造出新的發(fā)展前景，使得功能紡織品一步步發(fā)展成為現(xiàn)在的智能化紡織品[5-6]。例如光導(dǎo)纖維與紡織面料相結(jié)合開發(fā)的智能發(fā)光紡織面料；通過在面料中添加保溫材料，實(shí)現(xiàn)其調(diào)溫功能的智能溫控紡織面料[7]；以及與變色纖維材料相結(jié)合的智能變色功能面料等等[8-9]。智能紡織面料與其他紡織面料相比較，區(qū)別在于智能紡織面料提升了基礎(chǔ)紡織面料的功能；當(dāng)功能被拓寬的同時(shí)，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的拓寬，在運(yùn)動(dòng)服飾、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)裝備、時(shí)裝、建筑、醫(yī)療、軍事等多領(lǐng)域均有應(yīng)用[10-14]。

通過對(duì)智能紡織面料發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用領(lǐng)域的前期調(diào)研總結(jié)中可以發(fā)現(xiàn)，目前智能紡織纖維與智能紡織面料的開發(fā)研究還有很大的發(fā)展空間。在跨學(xué)科語(yǔ)境下，紡織品設(shè)計(jì)與材料科學(xué)的結(jié)合，不僅拓寬了紡織品設(shè)計(jì)專業(yè)的外延，也給設(shè)計(jì)師提供了深入探究面料結(jié)構(gòu)再創(chuàng)造的可能性。當(dāng)下智能紡織品受制于大量電線及電路產(chǎn)品，進(jìn)而影響了產(chǎn)品的穿著質(zhì)感[15-16]。因此如何更好地解決紡織品發(fā)展的局限性是當(dāng)下智能化設(shè)計(jì)發(fā)展需要解決的問題。同時(shí)，如何找到新材料的功能實(shí)現(xiàn)方式及其性能的實(shí)用性轉(zhuǎn)化途徑也是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展需要解決的問題。智能化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的快速發(fā)展，推動(dòng)著新材料走出實(shí)驗(yàn)室，也讓紡織品脫離了常規(guī)化，帶動(dòng)紡織面料擺脫傳統(tǒng)工藝的局限性，為紡織品設(shè)計(jì)創(chuàng)造更多的科技形態(tài)及實(shí)現(xiàn)多重現(xiàn)代化功能性。因此，整合不同學(xué)科的資源，實(shí)現(xiàn)高性能材料在紡織面料領(lǐng)域的應(yīng)用是本文探討的問題關(guān)鍵。

2 智能紡織面料的設(shè)計(jì)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1 基礎(chǔ)材料

聚丙烯酰胺，英文名稱Poly(acrylamide)，分子式為(C3H5NO)n，分子量100萬(wàn)～500萬(wàn)(表1)。是一種線型高分子聚合物，主要有干粉和膠體兩種形式。按其結(jié)構(gòu)又可分為非離子型、陰離子型和陽(yáng)離子型。聚丙烯酰胺是丙烯酰胺均聚物或與其他單體共聚而得聚合物的統(tǒng)稱，是水溶性高分子中應(yīng)用最廣泛的品種之一。由于聚丙烯酰胺結(jié)構(gòu)單元中含有酰胺基、易形成氫鍵，使聚丙烯酰胺具有良好的水溶性和很高的化學(xué)活性，可以改性制取許多聚丙烯酰胺的衍生物[17]。這樣也就使該聚合物擁有更廣泛的應(yīng)用范圍。

表1 聚丙烯酰胺的基本情況

聚丙烯酰胺是水溶性高分子聚合物中的品種之一,具有水溶性、吸附性和增稠性，是重要的功能性聚合物，廣泛用于水處理、造紙、石油、采礦及建筑等領(lǐng)域。[18]

2.1.2 雙組分材料

聚丙烯酰胺本身具有高吸水的功能，為了更好地發(fā)揮其功能性，在基礎(chǔ)性能之上開發(fā)出了更加突出性能的雙組分聚合物，拓寬了聚丙烯酰胺應(yīng)用領(lǐng)域，也為新材料開發(fā)應(yīng)用提供了新的思路。改性后的聚合物在合成思路上，是對(duì)高分子材料合成方式進(jìn)行了新的改變，形成了雙組分聚合物。雙組分聚合物配比見表2。

表2 雙組分聚合物配比

其中交聯(lián)劑和引發(fā)劑組成第一個(gè)組分，丙烯酰胺和TEMD組成第二個(gè)組分。將第二個(gè)組分加到第一個(gè)組分中混合形成新的聚合物。

潛山市的旅游精準(zhǔn)扶貧工作在政府的領(lǐng)導(dǎo)下取得了良好的成績(jī)，居民收入顯著提高，脫貧率大大升高，但在扶貧過程中仍存在許多問題。

新聚合物的性能在通過改性之后，擁有了更加突出的特性功能。雙組分聚合物黏度大，不溶于水，不易流動(dòng)，吸水性能好，可以在一定的時(shí)間內(nèi)完成吸放水的過程。固體含量降低，吸水量增大，與面料之間的黏合力增強(qiáng)，脆性下降，韌性增強(qiáng)。在玻璃板上模具中澆鑄并干燥后，可得到半透明、硬脆的薄片。該聚合物具有感溫感濕功能，體積膨脹率為1 300%，質(zhì)量吸水比為800%，其可以在濕潤(rùn)環(huán)境中迅速吸水，體積擴(kuò)大；在干燥環(huán)境中蒸發(fā)水分，體積縮小，在整個(gè)反應(yīng)過程中產(chǎn)生力的作用。為突出其高性能，最終材料合成方式采用雙組分同時(shí)擠出并混合合成的方式。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了更加準(zhǔn)確地測(cè)試聚合物的性質(zhì)以及在紡織面料上的反應(yīng)情況，在實(shí)驗(yàn)過程中采用了設(shè)計(jì)思維與數(shù)學(xué)邏輯相結(jié)合的方法。通過調(diào)整樣品與材料間的變量和不變量，共設(shè)計(jì)了四組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案見表3。

表3 四組實(shí)驗(yàn)

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，通過不斷整合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定聚合物的適用面料及開合結(jié)構(gòu)，預(yù)定場(chǎng)合及尋找實(shí)現(xiàn)功能的特定環(huán)境，最大程度展示新材料功能。通過結(jié)構(gòu)造型運(yùn)動(dòng)軌跡展示材料性能，使隱性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯性化，實(shí)現(xiàn)面料的智能變化，即在濕潤(rùn)環(huán)境下產(chǎn)生自我形變。實(shí)驗(yàn)邏輯框架如圖1所示。

2.2.2 材料合成及性能測(cè)試

(1)材料合成與測(cè)試。通過單體種類和比例調(diào)控聚合物的特性，一共進(jìn)行了兩大類響應(yīng)性聚合物的合成，實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)兩類聚合物進(jìn)行測(cè)試，觀察其反應(yīng)原理和對(duì)環(huán)境的響應(yīng)功能，進(jìn)而確定材料配比和聚合物的選擇。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

第一階段實(shí)驗(yàn)是單組分聚合物的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，單組分聚合物共測(cè)試了3種濃度，在對(duì)材料性能進(jìn)行測(cè)試后得出表4中實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

表4 單組分聚合物實(shí)驗(yàn)匯總

總結(jié)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單組分聚合物對(duì)材料的選擇具有局限性，無(wú)法在面料纖維中產(chǎn)生反應(yīng)。因此，為了更好地與其他面料種類進(jìn)行結(jié)合，在調(diào)整材料之后，開發(fā)出了雙組分聚合物。

第二階段的實(shí)驗(yàn)中，雙組分聚合物共有12種材料，實(shí)驗(yàn)中將其分為7組配比，通過對(duì)7組配比的聚合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找出最優(yōu)聚合物配比，實(shí)現(xiàn)結(jié)果見表5。

在雙組分聚合物的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，總結(jié)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雙組分聚合物性能良好。其中19 ∶1和1 ∶1的配比材料在面料上反應(yīng)明顯，并且在和面料進(jìn)行復(fù)合后具有對(duì)環(huán)境產(chǎn)生響應(yīng)特性。在濕潤(rùn)環(huán)境下面料狀態(tài)為展平方式，在干燥環(huán)境下發(fā)生收縮，實(shí)現(xiàn)自形變。

(2)復(fù)合紡織面料選擇與測(cè)試。這組實(shí)驗(yàn)使用不同比例的雙組分聚合物進(jìn)行面料復(fù)合研究，進(jìn)行面料纖維結(jié)構(gòu)測(cè)試。共測(cè)試了聚合物在12種面料上的反應(yīng)情況，分別是TPU、彈力網(wǎng)紗、高彈面料、復(fù)合仿木面料、兩種水洗牛皮紙、杜邦紙、PVC、空氣層面料、防水布、真絲綃和歐根紗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

表5 雙組分聚合物實(shí)驗(yàn)匯總

圖2 7組聚合物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖示

圖3 面料纖維實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)中采用雙組聚合物中19 ∶1和1 ∶1兩組配比的聚合物，并對(duì)12種面料進(jìn)行材料實(shí)驗(yàn)，通過圖片實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在與兩種配比的聚合物的結(jié)合中，真絲綃的反應(yīng)明顯且復(fù)合效果較好。在此基礎(chǔ)上為更好地解決聚合物在面料上的附著性，增加表面摩擦力，后期又對(duì)真絲綃復(fù)合了單面膠襯，使其成為雙層復(fù)合面料，從而優(yōu)化了面料與聚合物的黏合性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證面料與材料的附著效果，通過接觸角測(cè)試儀進(jìn)行接觸角測(cè)試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步觀察在不同面料上材料的浸潤(rùn)性及其本身的復(fù)合效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 接觸角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整體上真絲綃較為疏水，材料在不易深入織物組織內(nèi)部的同時(shí)可以更好地附著于織物表面。其中在真絲綃復(fù)合單面膠襯的復(fù)合面料上，兩組分材料與面料的接觸角分別為102.8 °、116.9 °，對(duì)比單層真絲綃的接觸角數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，在雙層復(fù)合面料上，材料與面料的表面吸附狀態(tài)更好。

2.2.3 紡織面料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與反應(yīng)路徑模擬

為了更好地展示面料的運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)其在濕潤(rùn)環(huán)境下的自形變，共設(shè)計(jì)了8種結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)試其反應(yīng)效果。通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并從中得出3種基本單元的反應(yīng)結(jié)構(gòu)較為明顯(圖4)。在模擬了四組路徑的運(yùn)動(dòng)軌跡之后，總結(jié)出聚合物在不同結(jié)構(gòu)上的開合路徑規(guī)律。在實(shí)現(xiàn)單個(gè)單元開合效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了連續(xù)開合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共10種結(jié)構(gòu)(圖5)。

圖4 3種基本反應(yīng)單元

圖5 10種開合結(jié)構(gòu)

在3種基本反應(yīng)單元的基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計(jì)出的10種單片面料結(jié)構(gòu)，是后期智能面料的展示方式，在更好地展示材料特性的同時(shí)，也展示了紡織品的延展方式。

2.2.4 材料與面料復(fù)合方式

在整個(gè)前期設(shè)計(jì)中，涂抹材料的方式一直為手動(dòng)涂抹，其缺點(diǎn)為液體擠出量不好控制，且在面料上的涂抹路徑不能保證與預(yù)想位置重合，這樣便容易造成結(jié)構(gòu)開合力的偏移。為了解決這些問題并且實(shí)現(xiàn)智能面料后期的大面積及批量化制作，本文運(yùn)用了數(shù)字建造技術(shù)。但因?yàn)榫酆衔锏奶厥庑再|(zhì)，傳統(tǒng)意義的打印工藝并不能完成制作打印[19]。針對(duì)本文研究目標(biāo)要解決的問題，需要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)是兩組分聚合物如何實(shí)現(xiàn)按不同比例并同時(shí)擠出。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)傳統(tǒng)的打印機(jī)器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置。在調(diào)整機(jī)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用了雙頭混合擠出并打印的方法，實(shí)現(xiàn)兩組分材料在擠出的同時(shí)混合打印，設(shè)計(jì)特定路徑后，在面料上進(jìn)行移動(dòng)打印(圖6、圖7)。

圖6 打印路徑設(shè)定

圖7 數(shù)字打印機(jī)器

3 結(jié)果與討論

在該智能面料設(shè)計(jì)中，通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)規(guī)律，進(jìn)而得到雙組分聚合物的數(shù)據(jù)以及機(jī)器參數(shù)選擇，同時(shí)還有面料材質(zhì)的對(duì)比分析與成品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及兩者的復(fù)合方式。通過對(duì)上述所有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與總結(jié)，可以得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表7)。

表7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用以上所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，制作出來(lái)的成品智能紡織面料實(shí)現(xiàn)了其環(huán)境響應(yīng)特性。即在濕潤(rùn)環(huán)境中的可以產(chǎn)生自我形變，在干燥環(huán)境中面料結(jié)構(gòu)打開，在濕潤(rùn)環(huán)境中面料結(jié)構(gòu)閉合。實(shí)現(xiàn)面料從二維平面到三維立體的變化。

圖8 面料成品圖

4 結(jié)論與展望

本文研發(fā)的智能面料是一種具有環(huán)境感應(yīng)特性的自調(diào)節(jié)面料，該面料的結(jié)構(gòu)形狀可以根據(jù)濕度變化自行調(diào)節(jié)自身開合程度。它在干燥環(huán)境的狀態(tài)下會(huì)張開，在遇水環(huán)境中會(huì)閉合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)濕度溫度的自調(diào)節(jié)。目前具有環(huán)境響應(yīng)特性的智能面料的局限性有很多，調(diào)溫功能限制于單個(gè)領(lǐng)域以及帶有電子元件的智能紡織品對(duì)身體具有安全隱患，同時(shí)在回收之后，也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。但本文研發(fā)的具有感濕功能性的智能面料在數(shù)字建造技術(shù)的支撐下，將聚合物處理在織物表面，所以并未改變織物本身結(jié)構(gòu)。同時(shí)該智能紡織面料還可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，其本身的感濕自形變功能不僅僅可應(yīng)用于功能性服裝領(lǐng)域，還可應(yīng)用于建筑表皮設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的作用。由于其本身并無(wú)電子原件限制，還可以更好地還原材質(zhì)本身的輕薄質(zhì)感，回收處理后也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能纖維及智能紡織品的研究與開發(fā)使得紡織品領(lǐng)域有了新的發(fā)展方向與趨勢(shì)，同時(shí)跨領(lǐng)域的合作和交叉學(xué)科的融合也在紡織品領(lǐng)域有了更多的應(yīng)用，在提高紡織品功能性的同時(shí)也創(chuàng)造出更好的用戶體驗(yàn)，從而提高了產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力[20-22]。未來(lái)紡織品及紡織纖維必然向著更加智能化的方向發(fā)展，更加注重功能性及用戶體驗(yàn)。但是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化轉(zhuǎn)換，其中最重要的就是完成技術(shù)的發(fā)展和材料的開發(fā)，加深跨專業(yè)的合作，實(shí)現(xiàn)智能纖維和智能紡織品更加專業(yè)化和商業(yè)化的發(fā)展。