智能服裝材料研究進(jìn)展

夏 明,梁薷文

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,上海 200051;2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室,上海 200051)

每個人與服裝面料都有著深厚的個人聯(lián)系,可以說它是人類的第二層皮膚。隨著人們對紡織品的要求越來越高,不僅希望接觸到身體的織物能夠使人體保持溫暖或干燥,而且希望它柔軟或結(jié)實,具有彈性,能提供支撐;要求服裝在保持其形狀和顏色的同時,能夠易于護(hù)理和清潔;要求它們是可持續(xù)的、可再生的,并且在制造時使用較少的能源?？纱┐骷夹g(shù)和智能紡織品是熱門話題,越來越多的技術(shù)人員對探索這些新材料在藝術(shù)實踐和個人生活中的應(yīng)用感興趣。設(shè)計師們正與科學(xué)家們合作開發(fā)具有多種益處的紡織品,從超輕的保暖或冷卻紡織品到能傳遞光、聲和氣味的紡織品。其他的發(fā)展包括改變其結(jié)構(gòu)的紡織品和用可持續(xù)生產(chǎn)方法創(chuàng)造的紡織品,包括無水染色技術(shù)和在實驗室種植紡織品的生物工藝等[1]。

1 智能服裝材料分類

傳統(tǒng)紡織品是由紗線制成的,紗線所用的材料是根據(jù)其機(jī)械或結(jié)構(gòu)質(zhì)量而選擇的。將智能材料加入到紡織品中,使其與傳統(tǒng)紡織品相比,性能增強(qiáng)甚至具有其他功能特性。根據(jù)其功能,智能材料分為三類:被動材料、主動材料和非常智能材料,每一個層次都涉及不同類型的技術(shù)。

最底層的功能智能材料是被動智能材料,它們類似傳感器,感知環(huán)境或刺激。這類材料能夠接收信息,并顯示發(fā)生在它們身上的變化,如顏色、熱阻率或電阻率變化等。例如,當(dāng)人體體溫變化時會改變顏色的織物[2],光致變色油墨可以在特定溫度下觸發(fā)并改變其色調(diào)[3],以及暴露在紫外線下會產(chǎn)生反應(yīng)的織物[4]等。

智能材料的第二個層次是主動智能材料,這些材料不僅能感知外界刺激,還能對外界刺激作出反應(yīng),當(dāng)它們暴露在一個環(huán)境中時,同時扮演傳感器和驅(qū)動器的角色。許多主動智能材料在遇到壓力、振動、p H值、磁場或溫度變化時會產(chǎn)生電壓。例如壓電材料,當(dāng)對其施加應(yīng)力時,就會產(chǎn)生電壓;反之,當(dāng)對其施加電壓時,就會產(chǎn)生應(yīng)力[5]。

在以上層次智能材料的基礎(chǔ)上增加第三個功能,稱為非常智能材料。這些材料充當(dāng)傳感器并接受刺激,它們可以對信息做出反應(yīng),并且可以重塑自己,適應(yīng)環(huán)境條件。這類材料研究是最先進(jìn)的研究領(lǐng)域之一,也是目前智能服裝材料研究最為活躍的領(lǐng)域之一,包括形狀記憶合金材料[6]、智能聚合物材料、智能流體材料和其他智能復(fù)合材料[7]。

2 智能服裝材料

材料科學(xué)家、工程師和設(shè)計師與使用方等一起合作,開發(fā)能提高速度、耐久性和保護(hù)能力的織物。這些織物用于外層空間,使生命免受火災(zāi)、輻射和化學(xué)品等的危害,目前已開發(fā)出可以管理能量輸出、控制體溫、監(jiān)測心率和其他生理反應(yīng)的運(yùn)動服裝面料,甚至可以將身體的位置和動作傳送給電腦。在競技領(lǐng)域之外,健康和美容領(lǐng)域也有一些發(fā)展,例如醫(yī)用紡織品可以釋放藥物和監(jiān)控免疫系統(tǒng),還有智能傷口敷料,以及一系列圍繞芳香療法、皮膚治療和香水開發(fā)的美容紡織品等[8-9]。

2.1 性能增強(qiáng)

隨著人們對織物的要求越來越高,織物的性能由本質(zhì)向智能化發(fā)展,例如,那些在極端環(huán)境下工作的人需要防護(hù)服的保護(hù)以免受危險環(huán)境條件帶來的傷害;或者使運(yùn)動員發(fā)揮出更好的實力;或者為了跟上醫(yī)學(xué)的突破等[10]。目前這些紡織品包括濕度管理、溫度調(diào)節(jié)、彈性織物以及通過提高速度、流動性和耐久性來提高性能的織物。

相變是指物質(zhì)從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程,就像冰從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)水一樣。在這個過程中獲得或失去的能量是材料“儲存”或“釋放”能量的關(guān)鍵。最初,美國宇航局開發(fā)了將相變材料嵌入纖維的技術(shù),用于宇航員的宇航服。相變材料(PCM)[11]現(xiàn)在正被應(yīng)用到紡織品中,用于能量調(diào)節(jié),可以讓人們在涼爽的時候保持溫暖,在溫暖的時候保持涼爽,減少在兩個極端的能量輸出。

為了打破速度的世界紀(jì)錄,運(yùn)動員們都在尋找減少阻力的布料,希望能將成績縮短0.1 s。鯊魚皮泳衣面料通過壓縮減少皮膚振動和肌肉振動。泳衣還在軀干內(nèi)嵌了緊身胸衣,以穩(wěn)定游泳者的核心部位。隨著疲勞度增加,游泳者的形態(tài)開始發(fā)生變化,例如臀部下垂、雙腿拖拽等、緊身胸衣可以幫助支撐,使游泳運(yùn)動員在比賽中保持一致的姿勢,從而提高成績[12]。

瑞士紡織公司Schoeller為高山滑雪者設(shè)計的一款產(chǎn)品,其面料外層是聚酰胺(彈性面料),內(nèi)層是聚酯,中間夾有泡沫。為了增加織物的強(qiáng)度和抵抗機(jī)械磨損的能力,在織物外部添加了一層金剛石般堅硬的陶瓷顆粒,這款織物不僅透氣、耐磨、具有彈性,而且結(jié)合了空氣動力學(xué)并具有杰出的水分管理能力[13]。

濕度管理是決定織物舒適度的關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)之一,這不僅與高溫下的舒適度有關(guān),在寒冷的天氣條件下,保持身體干燥也是至關(guān)重要的。Gore-Tex[14]使用一種由聚四氟乙烯(PTFE)制成的專利膜,薄膜上的小孔可以讓水蒸氣通過,但較大的水分子無法通過。最新的技術(shù)是采用一種新型膜,這種膜無需黏合劑,從而使產(chǎn)品相比前一代更薄、更輕。

2.2 安全與保護(hù)

紡織品的耐用性是保護(hù)使用者的關(guān)鍵,包括織物的強(qiáng)度、撕裂性、耐劃痕性、耐摩擦性、阻燃性、抗化學(xué)物質(zhì)和防輻射能力。從防彈衣到抵御無線電和輻射的織物,防護(hù)紡織品在我們的日常生活中越來越常見。

電磁波輻射的不斷增加,危害著人體的健康。目前有眾多學(xué)者致力于研發(fā)能保護(hù)穿戴者免受電磁場傷害的織物,這些電磁場包括手機(jī)以及手機(jī)發(fā)射塔輻射、Wi-Fi、雷達(dá)、微波爐泄漏和電視廣播等。通過在其織物中加入紡織金屬絲,再用棉紗或滌綸紗紡制而成,編織成可洗滌、舒適、耐用的織物,外觀和手感都和普通織物一樣[15]。

Kevlar是杜邦公司制造的一種合成芳綸纖維混合物,數(shù)十年來一直用于防彈衣。由于它質(zhì)輕強(qiáng)度高以及抗切割和耐磨損的能力,在服裝上得到了廣泛的應(yīng)用。Kevlar纖維應(yīng)用廣泛,在日常產(chǎn)品中從iPhone保護(hù)套到消防防護(hù)服和軍用防彈衣[16]。另外,該公司生產(chǎn)的Nomex是當(dāng)今美國消防員裝備中最常用的材料。

美國化學(xué)公司Celanese生產(chǎn)了一種叫Vectran的人造纖維,通常與聚酯(作為緯創(chuàng)核心周圍的涂層)結(jié)合使用[17]。Vectran作為美國宇航局太空服的一層,它能承受極熱并能抵抗紫外線輻射。

由道康寧(Dow Corning)公司開發(fā)的貝塔布,是由二氧化硅紡成紗,與玻璃纖維類似,得到的織物不會燃燒,只有在溫度超過650℃時才會融化。貝塔布是由載人飛船中心團(tuán)隊開發(fā)的阿波羅/天空實驗室A7L太空服。自1967年阿波羅1號發(fā)射平臺發(fā)生致命火災(zāi),宇航員的尼龍宇航服被燒毀后,NASA的宇航服就采用了這種方法。雖然這是一種較老的技術(shù),但二氧化硅仍然可作為納米涂層使用[18]。

2.3 納米技術(shù)

納米技術(shù)是在原子或分子水平上對材料進(jìn)行研究與開發(fā),目前廣泛用作化學(xué)整理劑和涂料。將纖維紡成紗線并編織成織物時,可以將納米粒子作為后整理劑對紗線或織物進(jìn)行化學(xué)處理。這些處理可以使織物具有卓越的水分管理能力,或得到超疏水性織物,或者添加藥物試劑等使織物具有芳香療法和抗衰老保濕的作用[19]。

石墨烯納米管是由一層中空的單層石墨烯組成,這些納米管纖維會形成人造肌肉纖維[20],當(dāng)受到熱或出汗等刺激時,可以收縮和擴(kuò)張。鎳鈦諾,又稱鎳鈦,是另一種可以改變形狀的材料,它屬于形狀記憶合金材料。這些材料具有特殊的性能,包括形狀記憶、超彈性和高阻尼能力[21]。

超疏水織物不僅防水還防油污,它表面的涂料使液體只是在表面滾動,不會長時間接觸。Ross科技公司的Never Wet是一種納米涂層,可以噴涂在紡織品、皮革或其他產(chǎn)品的表面[22]。Never Wet不僅可以防止潮濕,還可以防腐蝕、防結(jié)冰,還有自潔功能。

中國東北師范大學(xué)的研究人員一直在研究一種具有超強(qiáng)紫外線防護(hù)能力的超疏水性織物[23]。在棉織物上涂上氧化鋅納米棒和氧化鋅晶體,使織物的紫外線防護(hù)系數(shù)超過100。該織物通過在氧化鋅表面涂上二氧化硅從而使之具有超疏水性,氧化鋅和二氧化硅的結(jié)合增強(qiáng)了氧化鋅的超疏水性。

Nylgold于2010年首次推出了一種具有抗衰老性能的纖維。它由金和玻尿酸納米粒子組成,在紡絲過程中粘在錦綸紗線上。透明質(zhì)酸可以幫助皮膚保持水分和補(bǔ)充膠原蛋白,在抗衰老方面起著關(guān)鍵作用[24]。Cupron抗老化紗線加入了氧化銅,可有效抗老化和控制氣味,Cupron已經(jīng)被證明可以促進(jìn)皮膚傷口愈合,應(yīng)用于加壓服裝、糖尿病襪、抗真菌襪、紗布、敷料、繃帶、縫合線等傷口護(hù)理產(chǎn)品[25]。

2.4 電子紡織品

電子紡織品屬于智能紡織品中較大的一部分。這些織物可以導(dǎo)電,意味著它們中的一些可以儲存數(shù)據(jù),產(chǎn)生和收集能量,廣泛應(yīng)用于可穿戴技術(shù)領(lǐng)域。導(dǎo)電材料如不銹鋼、碳和硅與玻璃、陶瓷和其他纖維結(jié)合使用,建立了電子紡織品的材料體系[26]。

實現(xiàn)簡單的導(dǎo)電性,一般采用將金屬纖維纏繞成紗線的方法。這些紗線通常直接縫在非導(dǎo)電織物上,代替芯線連接電子元件。將這些紗線編織的織物穿著在貼身皮膚上時,可以直接從用戶的電脈沖中收集信息,或者直接將傳感器嵌入織物,收集環(huán)境中的信息,不需要電線,例如運(yùn)動胸罩中的心率監(jiān)測器[27]。導(dǎo)電性能也可以通過在紗線涂覆導(dǎo)電聚合物來實現(xiàn),這種方法適用于拉伸織物,當(dāng)織物向一個方向拉伸時,導(dǎo)電性增加,向另一個方向拉伸時,導(dǎo)電性降低。還有一些由金屬紗制成的織物具有無菌的優(yōu)點(diǎn),可用于傷口敷料以及其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

隨著人們對更柔軟舒適的電子產(chǎn)品需求的增長,新型導(dǎo)電材料正在被應(yīng)用并開發(fā)成紡織品。東京大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種可伸縮的橡膠材料,這種材料導(dǎo)電性能好,可以用來構(gòu)建彈性電路。這種電線是由碳納米管和聚合物復(fù)合材料制成的,該材料可以在不影響其性能的情況下拉伸到原來尺寸的1.7倍[28]。

幾個世紀(jì)以來,色彩和光線的運(yùn)用一直讓藝術(shù)家和觀眾著迷。使紡織品發(fā)光或變換顏色的方式很多,例如發(fā)光墨水,嵌入在紡織材料中的LED燈,以及使用光纖等。許多藝術(shù)家和設(shè)計師的創(chuàng)作方式仍然是用導(dǎo)電線將LED元件縫在織物上,或使用導(dǎo)電墨水將LED元件連接到電路中。盡管目前LED元件已經(jīng)變得非常小,而且更容易使用,但最新進(jìn)展是研發(fā)自主照明的織物。

英國布里斯托大學(xué)的一個研究小組用機(jī)械過程模擬了斑馬魚和烏賊的物理反應(yīng),因為這些生物可以使自身皮膚改變顏色。這兩種動物改變顏色的方式略有不同:烏賊有著色細(xì)胞,可以根據(jù)需要迅速變大或變小,從而改變身體的顏色;斑馬魚會產(chǎn)生一種染色液體,而它的皮膚呈半透明狀,因此可以根據(jù)需要改變液體顏色。研究人員通過使用人造肌肉纖維等聚合物材料模擬了這兩種系統(tǒng)。當(dāng)電流施加到介電聚合物上時,它就會膨脹,“顏色”就會變大,變得更突出。他們希望這項技術(shù)可以應(yīng)用到紡織品上,使其能夠根據(jù)周圍環(huán)境的外觀進(jìn)行調(diào)整,從而促進(jìn)自主變色紡織材料的發(fā)展[29]。

2.5 無紡材料

除了傳統(tǒng)的紡織品,還有一些無紡智能材料被開發(fā)出來用于服裝領(lǐng)域。這些材料大多都是由泡沫、薄膜及復(fù)合材料的研發(fā)而得到的。為了使用這些材料來制作服裝以及其他可穿戴設(shè)備,專門的制造技術(shù)也隨之開發(fā)出來,包括激光切割和3D打印等。

意大利研究實驗室Grado Zero Espace與歐洲航天局(ESA)合作研究如何提高紡織品的冷熱質(zhì)量。該小組開發(fā)了一種由納米凝膠制成的充分性材料,也就是氣凝膠。最初制造氣凝膠是為了隔離太空中的儀器,氣凝膠實際上沒有重量,而且能承受極端溫度。該實驗室隨后將氣凝膠應(yīng)用到其他產(chǎn)品上,例如能夠承受零下50℃低溫的防護(hù)外套。

3D打印技術(shù)目前已經(jīng)逐步完善,而且在很多領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用[30]。目前3D打印材料主要有樹脂、金屬、工程塑料及橡膠類材料,但在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用中,還存在很多原材料、成本、技術(shù)等方面的缺陷。但是,3D打印生產(chǎn)技術(shù)與傳統(tǒng)服裝生產(chǎn)技術(shù)相比,取消了紡織、印染、裁剪等流程,可以節(jié)省大量時間以及有效解決材料浪費(fèi)問題,使生產(chǎn)過程更加高效,更加綠色環(huán)保。

3 結(jié)束語

幾個世紀(jì)以來,人類一直在研究開發(fā)和改進(jìn)新的紡織材料,使其可以對外界刺激如溫度、濕度、光線、壓力、電子磁場等因素有感知并做出反應(yīng),賦予其更加“智慧”的功能。相較于傳統(tǒng)紡織材料,智能紡織材料可以在惡劣的氣候條件下防雨雪、透濕、防風(fēng)、保暖等;在惡劣的工作環(huán)境中能阻燃、隔熱、防輻射、防靜電、防化學(xué)生物試劑等,還可用作工具,如進(jìn)行通信、檢測和記錄信息等。智能特征表現(xiàn)為感知功能,即能夠感知外部或內(nèi)部的環(huán)境條件;反饋功能,即可通過內(nèi)部的傳感系統(tǒng),將對比結(jié)果反饋給驅(qū)動系統(tǒng);響應(yīng)功能,即根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化作出相應(yīng)的反映并采取必要的響應(yīng)措施;自診斷、自修復(fù)、自調(diào)節(jié)等功能。服裝材料智能化是發(fā)展的必然趨勢。隨著多學(xué)科交叉,未來智能紡織服裝材料將趨于多功能化;另一方面,智能服裝材料的研發(fā)也將更加系統(tǒng)化,從而降低研發(fā)成本,使其向商業(yè)化發(fā)展。在實際應(yīng)用方面,智能服裝材料將根據(jù)目標(biāo)用戶需求更加細(xì)化、更加美觀以及更加安全和可持續(xù)化。