針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品的開發(fā)與應用

劉于維,叢洪蓮,趙博宇

(1.江南大學 紡織科學與工程學院,江蘇 無錫 214122;2.江南大學教育部針織技術(shù)工程研究中心,江蘇 無錫 214122)

智能紡織品的定義通常是通過將紡織技術(shù)與電子、計算機、醫(yī)學、物理、化學、生物等多種技術(shù)相結(jié)合,在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的具備環(huán)境變化感知能力、環(huán)境交互能力以及智能調(diào)節(jié)能力,并保留傳統(tǒng)紡織品固有風格特點和技術(shù)特征的一類新型智能化紡織品[1-2]。

紡織品根據(jù)織造方法不同可分為機織物、針織物、非織造織物三類。其中,針織物具有延展性強、彈性好、透氣性好、可實現(xiàn)一次成型、便于利用線圈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)局部智能化等優(yōu)異的物理性能,常用作智能紡織品的良好載體[3]。針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品是指研發(fā)人員根據(jù)不同的應用場合,相應地選擇適當?shù)尼樋椘?并通過智能化設計,賦予針織產(chǎn)品感知、反應和調(diào)節(jié)功能的一類智能紡織品。相比其他智能紡織品、針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品具有以下優(yōu)點:針織物特有的物理性能能夠使智能針織產(chǎn)品具有更好的穿著舒適性、可折疊性、可水洗性;針織物特殊的線圈結(jié)構(gòu)可以確?？椢镌诎l(fā)生形變時,智能化紗線的性質(zhì)不受影響,從而保證了智能針織產(chǎn)品的性能穩(wěn)定;針織物豐富的組織結(jié)構(gòu)為更方便地實現(xiàn)織物智能化設計提供了基礎(chǔ)。

針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品具有輕巧便攜、易于穿戴、交互可控、實時性強等優(yōu)點。近來,針織產(chǎn)品在智能醫(yī)療器械、智能穿戴設備、通訊定位設備等高性能智能織物領(lǐng)域的開發(fā)應用逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點[4]。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,智能針織產(chǎn)品的應用領(lǐng)域得到了進一步拓寬,研究針織產(chǎn)品的智能化設計對提升人類生活質(zhì)量、醫(yī)療保健水平、軍事作戰(zhàn)能力等方面具有重要意義,同時也給紡織行業(yè)向現(xiàn)代化、高新化發(fā)展提供了新路徑。通過對針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品開發(fā)與應用進行研究,能夠為針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品在未來向產(chǎn)品高性能、多功能、美觀、易洗易穿等方向進一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。

1 針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品的開發(fā)原理

目前實現(xiàn)針織產(chǎn)品智能化的方式多種多樣,可歸納為三類:采用智能化紗線進行直接編織制得;將柔性微電子元件與針織基底結(jié)構(gòu)以一定的方式復合而得;對織物進行智能化后整理加工制得。

上述方法在織造時都可與不同的組織結(jié)構(gòu)相結(jié)合,從而獲得不同功能、不同特點的智能針織產(chǎn)品。例如在緯編機上可以利用集圈組織、添紗組織、提花組織不同的線圈結(jié)構(gòu)和紗線關(guān)系實現(xiàn)智能化紗線編織。除此之外,采用圓緯機能夠直接生產(chǎn)出無縫全成型針織產(chǎn)品,能夠供研究人員方便地進行智能腿套、肘套的開發(fā);經(jīng)編針織產(chǎn)品具有一定的縱向延伸性,且與緯編針織產(chǎn)品相比具有更好的尺寸穩(wěn)定性和防脫散性。其中,采用雙針床經(jīng)編機編織而成的間隔織物具有兩個相對獨立的表面,間隔絲位于兩個表面之間,起連接和支撐的作用,該織物具有一定的抗壓性,常用作智能化針織產(chǎn)品的載體[5]。

1.1 采用智能化紗線直接編織

采用智能化紗線進行直接編織是目前開發(fā)智能針織產(chǎn)品的重要途徑。該開發(fā)方法是指將智能化紗線直接進行上機織造,通過對組織結(jié)構(gòu)及織造方法的設計實現(xiàn)智能紗線的混紡、交織和嵌入。

若采用功能性紗線(如自動調(diào)溫紗線、抗菌紗線、形狀記憶紗線等)進行編織,能夠充分利用針織物線圈結(jié)構(gòu)的特點,制得的智能化織物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在一定程度上提高了智能紗線的適應性和智能織物的功能性。天津工業(yè)大學的蔣曉東[6]利用蓄熱調(diào)溫纖維/羊絨混紡紗,結(jié)合集圈式雙層針織組織,制備出一種功能性羊絨調(diào)溫產(chǎn)品。該織物外層由純羊絨紗線編織, 內(nèi)層由蓄熱調(diào)溫纖維/羊絨混紡紗線編織,采用蓄熱調(diào)溫紗線編織連接組織連接織物內(nèi)外層。制得的織物既能充分體現(xiàn)羊絨織物的風格,又兼具調(diào)溫性能,改善了傳統(tǒng)保暖制品厚重、穿著不舒適的缺點。

導電紗線和光導纖維紗線是另一類常見的智能化紗線,常用來制作針織柔性傳感器。柔性織物傳感器技術(shù)是實現(xiàn)紡織品智能化的核心之一,按信號轉(zhuǎn)換機理可分為電容式、電阻式、電感式、光纖式柔性傳感器等[7]。

如圖1所示,電容式傳感器通常采用導電薄膜、纖維、紗線、織物等柔性材料制得電容器極板,針織物應用中常采用經(jīng)編間隔織物、空氣層織物等作為介質(zhì)間隔層,在應力作用下,傳感器的極板間距d、極板正對面積S、極板間介質(zhì)的介電常數(shù)ε發(fā)生改變,從而改變電容值;如圖2所示,電阻式傳感器通常以導電纖維或紗線制成,線圈在受應力作用時發(fā)生形變時,造成材料電阻率的變化,該部分電阻變化可稱為長度電阻變化,同時線圈應變導致線圈間接觸面積增大或減小,引起接觸電阻改變[8],這兩方面因素將共同引起電路中電壓或電流的變化;電感式傳感器主要利用了電磁感應原理,通過將壓力、位移等被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化,再由電路將該變化轉(zhuǎn)化為電信號,其傳感線圈通常采用導電纖維或?qū)щ娂喚€制成,針織物結(jié)構(gòu)能夠方便其位置固定;光纖式傳感器利用光導纖維能夠?qū)崿F(xiàn)單向傳輸?shù)膫鞴馓匦?把被測物理量轉(zhuǎn)換為光特性變化。上述傳感器與紡織品結(jié)合后充分保留了織物柔軟、便攜、穿著舒適性好的優(yōu)點,但在進一步提高水洗性與性能穩(wěn)定性方面仍存在問題。

圖1 電容式傳感器作用原理圖

圖2 電阻式傳感器作用原理圖

1.2 采用柔性電子元件進行復合

該方法采用模塊化技術(shù)、嵌入式技術(shù)和纖維改造技術(shù),通過粘貼、縫合、交織等方式將柔性微電子元件(如柔性傳感器、柔性紡織開關(guān)、柔性電子線路板等)與針織品合為一體,可以得到電子信息技術(shù)智能針織產(chǎn)品。通過以電子信息技術(shù)為基礎(chǔ),實現(xiàn)了傳感、通訊、人工智能等高科技手段與紡織技術(shù)的結(jié)合。例如可通過將GPS等定位設備與老人、兒童、戶外工作人員等群體使用的紡織品結(jié)合,實現(xiàn)對人員的實時監(jiān)控定位,以確保其人身安全。吳艷[9]在2+2羅紋滌/棉弱彈針織面料中嵌入i Beacon定位元件,在滿足面料融合度和穿著舒適度的情況下,可實現(xiàn)對兒童位置的精確測定。

1.3 采用織物后整理加工法

采用沉積、印刷、拼貼等方式將金屬顆粒、碳基材料或高分子導電復合材料附著于織物表面形成導電涂層織物也是實現(xiàn)織物智能化的一種方法。棉織物經(jīng)高溫炭化后具有一定的導電性,在此基礎(chǔ)上研究人員將棉織物進行熱裂解炭化反應,得到CCF(Carbonized Cotton Fabric,碳化棉),再通過將其浸泡在TPU(Thermoplastic polyurethanes,熱塑性聚氨酯彈性體橡膠)溶液中制得CCF/TPU復合導電材料。由該材料制備而得的柔性壓阻傳感器具有靈敏度高、遲滯回線偏差低和出限較低的特點[10]。

該方法的特點是加工較為簡便,原料適應性廣,但會降低織物的穿著舒適性。例如采用形狀記憶聚合物材料對織物進行后整理加工,可直接制得形狀記憶織物,但在形狀記憶織物回復溫度的精確控制、整理劑粘附牢度的改善以及織物手感的提高等方面仍存在一定上升空間。

2 針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品的應用

目前應用范圍較廣的智能針織產(chǎn)品根據(jù)其作用原理可分為以下幾類:人體姿態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品、形狀記憶針織品、熱電類針織品及電子智能針織品。

2.1 人體姿態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品

人體姿態(tài)變化產(chǎn)生的信號按照運動表征幅度大小可分為小幅度信號(指人體呼吸、脈搏、心跳等身體外部表征不太明顯的動作)和大幅度信號(指踝腕關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、手指、足部等運動動作)。

小幅度信號存在不易檢測、難以捕捉的情況,需要監(jiān)測裝置的有效監(jiān)測面積較大,且呼吸、心跳等信號的監(jiān)測裝置通常被佩戴在穿著者的胸腹部,因此這對產(chǎn)品的穿著舒適度提出了很高的要求[11]。若僅通過粘貼、縫合等方法將一般的監(jiān)測電極與織物結(jié)合,將不能滿足智能織物與人體較高貼合度的要求,導致監(jiān)測準確性和穿著舒適性降低,而采用針織柔性傳感器進行產(chǎn)品設計恰好可以很好地解決這一問題。通過將針織柔性傳感器嵌入到服裝的不同部位,可以實現(xiàn)對人體不同部位活動狀態(tài)的實時監(jiān)控,對人體運動及醫(yī)療健康領(lǐng)域的研究有很大意義。

Fan等人[12]利用尼龍紗線和導電紗線編織畦編組織,生產(chǎn)出摩擦電柔性針織傳感器(圖3a)。采用畦編組織可使紗線的接觸面積更大,與普通平針組織相比具有更好的摩擦起電效應。將該傳感器編織進衣物的袖口和胸口處(圖3b),再將信號傳輸至手機APP上,可實現(xiàn)對人體脈搏及呼吸的實時監(jiān)控。

圖3 用于脈搏、呼吸監(jiān)測的摩擦電針織傳感器

大幅度信號與小幅度信號相比具有易于檢測、產(chǎn)品設計靈活度較高的特點。Atalay A[13]設計了一種以導電針織物為電極,硅彈性體為介質(zhì)的柔性傳感器(圖4)。該傳感器將同軸電纜的導線與熱塑性薄膜傳感器封裝連接,具有高線性度、低遲滯性等特點,可集成在智能手套上用于監(jiān)測手指運動。

圖4 智能手套

除了上文中提到的通過襯入的方法將導電紗線直接編織進織物,用于監(jiān)測大幅度信號的壓力電容傳感器檢測裝置還常根據(jù)其應用領(lǐng)域,通過特殊的織物組織結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)智能織物對傳感器電極排布位置的要求。例如,江南大學的孫婉[14]利用經(jīng)編間隔織物作為壓力電容傳感器的介質(zhì),設計并制備了一種具有壓力分布監(jiān)測功能的智能坐墊,實現(xiàn)了對人體坐姿的檢測。其工作原理是織物受到外界壓力作用后,間隔絲彎曲變形,導致粘附在間隔織物的上、下表面的柔性電極導電布中的電極間距改變,從而引起電容值變化。

天津工業(yè)大學的田新宇[15]采用空氣層組織和提花組織三層復合結(jié)構(gòu),通過將光纖布拉格光柵傳感器植入到織物中間空氣層內(nèi)進行固定,實現(xiàn)了對人體脈搏的檢測。該設計中外層組織在保證傳感器位置穩(wěn)定的同時,還對光纖起到了一定的保護作用。通過這種方法將傳感器封裝到織物內(nèi)形成一體結(jié)構(gòu),與采用粘貼、縫合等物理粘合方法進行固定相比,織物穿著舒適性得以提高[16]。

2.2 形狀記憶針織品

形狀記憶材料在經(jīng)塑性變形后,當處于一定的外界條件(如熱、化學、機械、光、磁或電等外加刺激)時能夠自動恢復到初始形態(tài)。形狀記憶材料按其組成成分一般可分為三類:形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物材料。其中,形狀記憶合金材料被應用于紡織領(lǐng)域由來已久。近幾年來,形狀記憶聚合物材料由于記憶溫度可調(diào)范圍大、質(zhì)量小、耐氣候性和耐疲勞性好、原料生產(chǎn)和加工容易等優(yōu)點,成為了形狀記憶織物原料的后起之秀。形狀記憶針織產(chǎn)品克服了針織物保形性差的缺點,而且賦予產(chǎn)品良好的可塑性、免燙整理、抗沖擊性及形狀回復性,服裝方便造型,受到不少消費者喜愛。

醫(yī)學上常采用鎳鈦形狀記憶合金絲作為針織人造血管的內(nèi)支撐,在臨床治療冠心病、抑制腫瘤生長、通暢新陳代謝等方面取得了顯著的療效[17]。

在針織服裝生產(chǎn)中,MARUKO KK采用形狀記憶鎳-鈦合金絲制得帶有形狀記憶合金的針織塑身內(nèi)衣,該塑身衣具有很好的保型性,既對穿著者體型有修整功能, 又滿足了穿著者對服裝舒適性的要求。除了采用形狀記憶材料制得的紗線直接進行編織,周星將形狀記憶材料制成一種硅膠包覆記憶合金絲網(wǎng)內(nèi)襯,以經(jīng)編間隔織物、經(jīng)編多梳織物作為載體,將該內(nèi)襯置于織物夾層中,能夠很好地保持鞋帽、內(nèi)衣等針織物的原有造型,美觀耐用。

2.3 熱電類針織品

熱電類智能紡織品主要利用熱電效應,當人體與環(huán)境之間存在溫差時,位于二者之間的熱電紡織材料中的載流子將從高溫端向低溫端轉(zhuǎn)移,形成電流。

目前開發(fā)熱電類紡織品的方法主要有兩種:一種是通過浸漬涂覆等方法將有機/無機熱電材料與織物、紗線及纖維進行結(jié)合,ZHENG等[18]采用浸涂法制備出一種碳納米管基分段熱電紗線,編織成經(jīng)編間隔組織(圖5)。當材料兩端溫差很小時,可產(chǎn)生較大的輸出功率。

圖5 經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)

另一種是通過模板印刷技術(shù)[19]、蒸汽印刷技術(shù)將熱電發(fā)電機集成到紡織品上。ALLISON[20]等采用蒸汽印刷的方法,將導電聚合物(PEDOT-Cl)固定于棉織物表面,制備出熱電發(fā)電機,并安裝在針織手環(huán)中制成可穿戴熱電發(fā)電機。當材料兩端溫差為12 ℃時,可產(chǎn)生 5 mV的熱電壓,該熱電壓在穿著者出汗后還將獲得一定程度的提升。

3 針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品的發(fā)展趨勢

(1)纖維材料高科技化。

纖維材料作為針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品的主體之一,其物理性能(如導電性能、電學穩(wěn)定性能、強伸性、可紡性等)直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量好壞。隨著智能針織產(chǎn)品研發(fā)的深入及其應用領(lǐng)域的拓展,研發(fā)人員將通過提高纖維材料的科技含量來進一步完善智能產(chǎn)品功能性及適用性。除此之外,智能產(chǎn)品用纖維材料的開發(fā)還將向結(jié)實耐用、輕質(zhì)便捷、安全穩(wěn)定、環(huán)境友好等方向推進。

(2)應用多功能化。

多學科交叉運用使智能針織產(chǎn)品的功能性不斷提高。例如,將形狀記憶功能與抗菌功能復合;將生理監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測與調(diào)溫等功能相復合[21]。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,人們還將從分析生產(chǎn)、生活對智能產(chǎn)品提出的要求入手,利用電子信息技術(shù)、生物化學技術(shù)、人機多交互技術(shù)、仿生技術(shù)、3D打印技術(shù)、納米技術(shù)等不同領(lǐng)域的技術(shù)[22]開發(fā)出多種差別化智能產(chǎn)品,滿足用戶的不同需求。

(3)產(chǎn)品舒適美觀化。

目前市面上存在的針織結(jié)構(gòu)智能產(chǎn)品已經(jīng)能基本上滿足人們的需求,但其穿著舒適性及美觀時尚性仍存在提升空間。未來針織智能產(chǎn)品在滿足人們需求的同時,材質(zhì)將更加柔軟輕便,同時將進一步改善穿著舒適性和水洗性。此外,產(chǎn)品的設計性和時尚性也將提高,以滿足大眾審美需求。

4 結(jié)語

綜上所述,隨著科技的快速發(fā)展,目前智能針織產(chǎn)品在實現(xiàn)智能化功能的基礎(chǔ)上已經(jīng)能夠滿足基本的穿戴要求,但在提高穿著舒適性、水洗性、產(chǎn)品多樣性、供能裝置穩(wěn)定性方面仍存在進步空間。隨著材料智能化程度、針織技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子信息技術(shù)的進步,針織產(chǎn)品實現(xiàn)智能化開發(fā)將越來越便捷,智能針織產(chǎn)品將向低成本、多功能、高性能、可學習的方向發(fā)展,智能針織產(chǎn)品的應用也將覆蓋生產(chǎn)、生活中的更多領(lǐng)域。