光導(dǎo)纖維及基于光纖的智能紡織品研究

王奕予 ,李 敏,2,3,*

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,上海 200051；2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200051；3.同濟(jì)大學(xué) 上海國(guó)際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院,上海 200092)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,服裝對(duì)于消費(fèi)者的意義不再局限于遮羞、保暖、美觀等功能,近年來(lái)服裝與科技的結(jié)合使得服裝朝著智能紡織品的方向不斷發(fā)展。其中,光導(dǎo)纖維的服用可能性賦予了紡織品更多的可能,它作為光傳輸新媒介在一定程度上滿足了消費(fèi)者對(duì)于服裝智能化、獨(dú)特化的需求。

在光導(dǎo)纖維研究的早期階段,研究成果主要運(yùn)用于醫(yī)療、航空、軍事領(lǐng)域,在紡織領(lǐng)域以商用性質(zhì)出現(xiàn)多是與運(yùn)動(dòng)或保健相關(guān)。我國(guó)學(xué)者相對(duì)西方學(xué)者而言,對(duì)于智能服裝及光導(dǎo)纖維的服用性研究起步較晚,20世紀(jì)70～80年代起開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)性研究。當(dāng)前,基于光導(dǎo)纖維的智能可穿戴設(shè)備開(kāi)發(fā)及發(fā)光面料的獨(dú)特視覺(jué)效果使很多學(xué)者、高校、企業(yè)都對(duì)光導(dǎo)纖維的服用性研發(fā)產(chǎn)生了興趣。利用塑料光纖[1―2]、微彎光纖[3]和多模光纖傳輸?shù)漠愋竟饫w[4],將光纖傳感器編織到紡織織物中的智能紡織品也已制造出來(lái),成為近年來(lái)紡織服裝領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。

1 光導(dǎo)纖維概況

1.1 光導(dǎo)纖維的發(fā)展

據(jù)考古學(xué)研究發(fā)現(xiàn),公元前一世紀(jì),巴勒斯坦人用小色塊玻璃拼湊人像,后來(lái)發(fā)展成為一種裝飾鑲嵌工藝。這些事件可以看作是光導(dǎo)纖維最早的運(yùn)用起點(diǎn)。最早的文獻(xiàn)記載是由英國(guó)物理學(xué)家約翰·丁達(dá)爾(John Tyndall))于1854年在英國(guó)皇家研究院發(fā)現(xiàn)光沿著水管?chē)娚涑鰜?lái)的水柱折射前進(jìn)情況。1927 年美國(guó)學(xué)者Hansell申請(qǐng)了有關(guān)可撓透明纖維束的專利。1954年美國(guó)學(xué)者Hopkins和Kapany發(fā)表了利用傳感束傳送圖像的報(bào)告。1967 年美國(guó)杜邦公司首次將聚光纖維(polymer optical fibers,簡(jiǎn)稱POF)應(yīng)用于紡織結(jié)構(gòu)中,并將其作為一項(xiàng)專利發(fā)布(Derick and Synder,1967)。但由于其較低的光衰減和較高的信號(hào)傳輸頻寬,20世紀(jì)90年代的市場(chǎng)需求很少[5]。如今隨著光學(xué)纖維與多種新型紡織技術(shù)的不斷發(fā)展,光纖織物的實(shí)現(xiàn)有了更多可能。

1.2 光導(dǎo)纖維的分類

光導(dǎo)纖維的分類方式多種多樣,按制造材料可以分為玻璃光纖、石英光纖和塑料光纖[6]；按使用性能可以分為無(wú)機(jī)光纖和有機(jī)光纖(也稱聚合物光纖)[7]。聚合物光纖按照發(fā)光原理又可以分為端面發(fā)光光纖和側(cè)面發(fā)光光纖[8]；按傳輸模式可以分為多模光纖和單模光纖[9]；按纖維結(jié)構(gòu)可以分為皮芯型光纖和梯度型光纖[10]等。

1.3 光導(dǎo)纖維的性能

由于光纖分類多樣,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也分別對(duì)不同類型的光纖進(jìn)行了性能研究。如折勝飛等[11]對(duì)大芯徑氟化光纖的性能進(jìn)行了研究,認(rèn)為該種光纖具有重量輕、體積小、傳輸能量損耗低、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)?？椎蛮i等[12]對(duì)塑料光纖在通信、傳像、光纖激光的性能表現(xiàn)進(jìn)行了綜述,認(rèn)為POF兼具柔性、輕質(zhì)、可見(jiàn)光高透、性價(jià)比高等特點(diǎn)。其他對(duì)波移光纖、多芯光纖、遠(yuǎn)紅外光纖、耐高溫光纖的性能研究有很多,進(jìn)一步證明了光纖可以有廣闊的應(yīng)用前景,但將光纖應(yīng)用于服裝領(lǐng)域仍存在不耐磨、不易清洗等局限性。

2 發(fā)光光纖織物的研究現(xiàn)狀

2.1 光纖發(fā)光織物的制造方法

隨著發(fā)光織物研究的不斷深入,也有大量學(xué)者對(duì)利用光導(dǎo)纖維得到光纖織物的織造方法及光纖結(jié)構(gòu)對(duì)不同織造方法的影響進(jìn)行了深入研究。

張建武等[13]于2018年公開(kāi)了一種新型聚合物光纖發(fā)光織物的發(fā)明專利,他們?cè)O(shè)計(jì)了一種使得聚合物光纖與光源進(jìn)行偶聯(lián)的良好連接件,且不會(huì)影響聚合物光纖本身的彈性、抗彎剛度等性能,使光纖和光源進(jìn)行了安全有效的連接。肖紅等[14]于2019年公開(kāi)了一種可呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)畫(huà)面的光纖織物及其制備方法的發(fā)明專利,通過(guò)構(gòu)成圖案的光纖多點(diǎn)側(cè)發(fā)光和控制光纖端面是否入射光線,達(dá)到光纖織物圖案以動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)的效果,該織物結(jié)構(gòu)易于操作,美觀實(shí)用,解決了以往動(dòng)態(tài)畫(huà)面發(fā)光織物的制備難題。劉宇清等[15]于2020年公開(kāi)了一種聚合物光纖及發(fā)光織物的發(fā)明專利,芯層的材料包括折射率為1.55～1.59聚碳酸酯,皮層的材料包括折射率為1.45～1.50的改性聚對(duì)苯二甲酸乙二酯和/或折射率為1.47～1.52透明錦綸。該種發(fā)光織物兼具極佳的韌性、較低的光損耗,而且價(jià)格更低廉,制備方法更簡(jiǎn)單和快捷,尤其適用于裝飾用面料。

2.2 光纖發(fā)光織物的實(shí)際運(yùn)用

早在1970年,Richard Balley[16]利用端面發(fā)光聚合物纖維就開(kāi)發(fā)出發(fā)光服裝,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)師程序和電路的設(shè)計(jì)不僅達(dá)到使服裝發(fā)光的效果,還使服裝上的圖案能夠有所變化。近年來(lái),意大利Luminex公司展示出一種由光纖編織成的發(fā)光織物,并在之后相繼推出將該種面料運(yùn)用到服裝、抱枕、餐桌布等家具紡織品。深圳智裳科技有限公司展示出一款支持APP 遠(yuǎn)程操控、一鍵變色的智能發(fā)光婚紗,婚紗中所用特殊可發(fā)光面料完全由智裳科技自主研發(fā),是利用光的傳導(dǎo)原理結(jié)合特殊的紡織工藝制成。新媒體藝術(shù)家Malin Bobeck Tadaa也展示出系列發(fā)光紡織藝術(shù)品,藝術(shù)品中的提花織物織有光纖,達(dá)到導(dǎo)光發(fā)亮的效果。這些產(chǎn)品中的光導(dǎo)纖維無(wú)論是用在服裝還是紡織品領(lǐng)域,都展示了光導(dǎo)纖維在紡織領(lǐng)域巨大的藝術(shù)可塑性。

3 光纖傳感智能服裝的研究現(xiàn)狀

光導(dǎo)纖維在智能服裝傳感器中的運(yùn)用變得越來(lái)越重要,但智能在制造過(guò)程中始終面臨的一大難題就是實(shí)現(xiàn)無(wú)縫和無(wú)形集成所需的電子織物。因此,材料研究人員需要在不犧牲強(qiáng)度、舒適度和美學(xué)吸引力的情況下,生產(chǎn)出具有所需電子功能的纖維。面對(duì)這一智能面料的傳感性能需求,光導(dǎo)纖逐步成為優(yōu)先選擇,它能夠作為多種傳感器來(lái)檢測(cè)和測(cè)量參數(shù),包括溫度、濕度、壓力、有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的存在、風(fēng)速和折射率等。在1967年,美國(guó)杜邦公司申請(qǐng)的POF專利中,就提到該面料可以作為壓力和壓敏傳感器。與傳統(tǒng)電力傳感器相比,光纖傳感器具有明顯的優(yōu)勢(shì),使用安全、易于處理、不發(fā)熱,對(duì)電磁輻射和放電不敏感,由此在智能服裝的研發(fā)過(guò)程中受到重視。

3.1 光纖傳感器的基本原理

通常來(lái)說(shuō),傳感原理是基于3個(gè)主要的交互作用,首先是機(jī)械波動(dòng)(壓力、應(yīng)力、應(yīng)變)在纖維中造成細(xì)微彎曲,前文提到的杜邦第一個(gè)POF專利是在織物表面施加壓力或在織物平面施加拉力會(huì)致POF彎曲,實(shí)現(xiàn)傳感功能；其次是纖維芯或外殼材料添加劑(摻雜物和染料)與分子相互作用或從環(huán)境中吸收輻射。Rothmaier等發(fā)現(xiàn)由于POFs的橡膠材料特性,它被擠壓但不會(huì)彎曲,改變了它的橫截面,提出更簡(jiǎn)單的壓力傳感器原理。Baur等[17]展示了他們開(kāi)發(fā)的光學(xué)傳感座椅,希望提高汽車(chē)中人員的安全性,具體原理是光纖傳感器分布于座椅或坐墊內(nèi),以檢測(cè)坐墊上人員的運(yùn)動(dòng)。在這3種相互作用的情況下都會(huì)導(dǎo)致透射光能量的變化,產(chǎn)生傳感。

3.2 光纖傳感智能服裝的運(yùn)用研究

在光纖傳感器的實(shí)際應(yīng)用研究中,Zhi Feng Zhang等[18]提出一種同時(shí)測(cè)量剪切應(yīng)力和正向應(yīng)力的基于聚合物光纖光柵(PFBGs)的軟光纖傳感器,傳導(dǎo)原理是施加正向應(yīng)力或剪切應(yīng)力導(dǎo)致光柵變形。研究結(jié)果表明,這種軟傳感器特別適用于涉及人體皮膚和組織的接觸應(yīng)力的高精度測(cè)量。Marco Ciocchetti等[19]提出一種基于光纖的、能夠在核磁共振檢測(cè)期間工作的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)的工作是基于穿著者上胸部的2個(gè)光纖光柵傳感器,試驗(yàn)通過(guò)對(duì)志愿者呼吸期、吸氣期、呼氣期等系統(tǒng)性能評(píng)估,驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以在核磁共振檢測(cè)期間依然運(yùn)行。Koyama等[20]提出一種將異形芯光纖與羊毛織物編織在一起的新型智能紡織品,這種紡織品可以直接應(yīng)用到服裝制作中,它是使用單模異芯光纖傳感器來(lái)檢測(cè)穿著者的生命體征,如心跳和呼吸等,為穿著者提供一個(gè)隨時(shí)隨身的檢測(cè)系統(tǒng)。Murat等[21]探討了智能服裝用廉價(jià)印刷可拉伸連接件的拉伸性和疲勞壽命,研究中彎曲可拉伸的光纖連接線顯示了100%的拉伸能力和20%應(yīng)變力下1 000次循環(huán)的疲勞壽命,由此提出了一種保持紡織品舒適性和耐磨性,實(shí)現(xiàn)紡織品電子一體化的廉價(jià)方法。Arnaldo等[22]提出了一種智能紡織品和一種基于聚合物光纖的傳感器系統(tǒng)。該智能紡織品可以檢測(cè)由呼吸和心跳引起的身體變化情況,傳感器系統(tǒng)可以檢測(cè)穿著者氧飽和度、呼吸頻率、步態(tài)頻率和心率,且誤差降低到僅約1%。這種系統(tǒng)不僅可以為遠(yuǎn)程醫(yī)療保健提供便捷,也可以作為云端機(jī)器人的傳感器反饋,達(dá)到人機(jī)交互的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

概括了光導(dǎo)纖維在紡織領(lǐng)域的主要發(fā)展歷程,并舉例說(shuō)明了光纖發(fā)光織物的最新制造方法、光纖傳感器的工作原理,并結(jié)合近幾年光導(dǎo)纖維在發(fā)光服裝領(lǐng)域和傳感智能服裝領(lǐng)域的運(yùn)用案例進(jìn)行了分析。

總體說(shuō),在光纖發(fā)展歷程中,20世紀(jì)50年代起光導(dǎo)纖維的研發(fā)開(kāi)始具備一定的形態(tài),美國(guó)最先進(jìn)行了大量創(chuàng)新性的工作。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步,新的應(yīng)用和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),光纖發(fā)光織物和光纖傳感器在智能服裝領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更加重要和獨(dú)特的作用,也將具有更廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。但是,光纖在紡織服裝領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用也存在一些明顯的短板,如光纖織物應(yīng)用中面臨的易損傷問(wèn)題、高能量傳輸中的低損傷閾值問(wèn)題等。由此對(duì)于光纖服用性的研究領(lǐng)域仍有大量空白,在未來(lái)光導(dǎo)纖維在紡織服裝領(lǐng)域智能化、多樣化、廣泛化的發(fā)展趨勢(shì)下,仍需要學(xué)者們進(jìn)行不斷探索與深入研究。