功能材料

智能纺织品—科技与工艺的结合一、智能纺织品的研究与定义二、智能纺织品的作用原理与特征三、智能纺织品的实现途径与分类应用四、智能纺织品的展望一、智能纺织品的研究与定义•1.1智能纺织品的研究智能纺织品是以智能材料为基础的新型纺织品，先进的材料科学、生物科学、电子技术、纳米技术等高科技推动了智能纺织品的生产技术发展。近年来，随着智能材料的不断创新，智能纤维、智能纺织品及智能服装正成为迅速发展的时尚产品，受到越来越多的关注。智能纺织品的研究，最早可以追溯到20世纪20年代。由Marsh等人于1929年开发的具有干湿折皱回复功能的纤维素织物是最早的智能纺织品。其后，美国海军军械研究室Buehler等在1963年偶然发现了形状记忆合金。1989年，日本学者高木俊宜将信息科学融入材料物性和功能，首次提出“智能材料（intelligentmaterial）”概念，随后，美国又称其为“机敏材料（smartmaterial）”。1.2智能纺织品的定义从广义上来讲，智能纺织品是指一类应用纺织、电子、化学、生物、医学等多学科知识综合开发的具有高智能化的纺织品，它基于仿生学概念，能够模拟生命系统，同时有感知和反应双重功能。狭义上的智能纺织品是指电子信息智能纺织品，它将微电子、信息、计算机等技术融合到纺织品中，能按照预先的设定采集信号，并能对信号做出处理及反馈。环境变化（声音、热、光、电、应力、化学等）信息传感部分（具有检测力、震动、声波、光波、温度、化学浓度、辐射等的敏感材料）信息处理部分输入驱动部分（具有改变机械、电流、磁场、化学、温度等的功能材料）输出改变材料状态控制智能纺织品的作用原理二、智能纺织品的作用原理与特征智能纺织品具有如下智能特征：•(1)传感功能：能够感知外部或内部的环境条件，如应力、应变、震动、热、光、电、磁、化学等的强度及其变化；•(2)反馈功能：可通过内部的传感系统，对系统的输入与输出信息进行对比，并将对比结果反馈给驱动系统；•(3)响应功能：能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要的响应措施；•(4)自诊断功能：能通过分析比较系统目前的状况与以前的情况，对系统内部因环境变化出现的问题进行自我诊断；•(5)自修复功能：根据自我诊断，通过原位复合、自生长等修复环节，来修补某些局部损伤或破坏；•(6)自调节功能：对不断变化的外部环境条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自身的状态，从而使纺织品信息系统始终以一种最优方式对外界变化作出响应。三、智能纺织品的智能途径与分类纵观目前开发的智能纺织品，其智能化功能的实现主要通过以下三种途径：(1)将某些智能纤维或将普通纤维改性后织成织物或编入到织物中，使织物具有智能特性。(2)将某些智能物质微胶囊化，用染整加工或涂层等方法加工到织物上，做成智能纺织品。(3)通过织入或嵌入的方法将电子元件与普通纺织品相结合，制成智能纺织品。根据上述智能化途径，可将现已开发的智能纺织品主要分为五大类：智能温控纺织品、形状记忆纺织品、变色纺织品、防水透湿纺织品和电子信息纺织品等。3.1智能温控纺织品智能温控纺织品是一种通过自动感知外界温度变化，智能双向调节温度变化的织物。在温度变化时，可吸收、释放或储存热量，也可在周围形成恒定微气候，使温度处于舒适范围。其制作原理主要利用相变材料、有调温作用粒子或聚合物粘附在纤维、纱线和织物上或对其进行后整理。按照对外界温度的刺激反应方式，可分为保温纺织品、降温纺织品和调温纺织品。保温纺织品方面，近年来主要研究积极保温材料。其通过吸收外部能源的能量，并将热量辐射到人体以实现保温增温，包括阳光蓄热保温纤维、远红外纤维等。例如德国WarmX公司开发的内置发热系统的内衣产品，其以极微小的银纤维织入针织织物，与供应电力之小型充电电池构成，当外界温度非常低时，针织织物可直接让皮肤产生热的感觉。德国WarmX公司开发的内置发热系统的内衣产品降温纺织品的特点是能迅速吸收和传输人体皮肤表面的汗液，带走皮肤表面的热量，使人体产生凉爽舒适的感觉。比较有代表性的是日本东丽等公司开发的ACEC织物，采用Supima棉与能快速反射阳光的涤纶以不同混纺比纺出不同纱号的混纺纱，它能迅速挥发汗液，降低衣服里面的温升，达到舒服凉爽的目的。自动调温纺织品拥有双向调温功能，一般将相变蓄热技术与纤维和纺织品制造技术相结合，能够根据环境温度的转变吸收或释放热能.近年来在欧美市场上出现的Outlast纤维是代表性产品之一，其技术的关键就是将微胶囊包裹的PCM（聚乙二醇）置于纤维内部，通过纺丝或者后整理的方法实现自动调温.智能温控纺织品既可用于民用夹克、运动服和滑雪衫等，也可用于消防服、宇航服、潜水服等职业服装，还可用于室内装饰、床上用品及鞋衬等。麻省理工学院研制出的新型女士宇航服3.2形状记忆纺织品形状记忆纺织品是将具有形状记忆功能的材料通过织造和整理的方式引入到纺织品中，从而使纺织品具有形状记忆特性。其作用原理基于形状记忆纤维，该种纤维能在首次成型时记忆初始形状，且形状固定后可再度发生形变，此形变可在温度、机械力、光等外界条件变化下固定下来（2次成型），当再次对形变的纤维进行外界刺激时，其又能可逆地恢复到原始状态。形状记忆纺织品主要包括形状记忆合金类纺织品、形状记忆高聚物类纺织品和形状记忆水凝胶类纺织品。形状记忆合金有金镉合金、铜铝镍合金和铝锌合金等。如英国纺织机构研制的防烫伤服装中，镍钛合金纤维先被加工成宝塔式螺旋弹簧状，再进一步加工成平面状，然后固定在服装内部。接触高温时形状记忆纤维的形状被激发，纤维迅速由平面变成宝塔状。形状记忆高聚物类纺织品有棉织物形状记忆整理、真丝绸形状记忆整理、毛纺织形状记忆整理和形状记忆水凝胶类纺织品等。形状记忆纺织主要应用于免烫、绝缘、保暖、透湿、透气及抗冲击等功能领域和美学方面，如形状记忆合金材料被集中用于制作具有形状记忆效果的各种花式纱线、面料、服装和装饰织物等。Oricalco形状记忆服装图为GradoZeroEspace公司研制的Oricalco服装，前一件能随时间在日间工作服和晚礼服进行变换，而后一件能在炎然的夏天自动卷起衣袖。3.3变色纺织品变色纺织品是指随外界环境条件（如光、温度、压力等）的变化而可以显示不同色泽的纺织品，包括光敏变色纺织品、温敏变色纺织品、湿敏变色纺织品、结构变色纺织品和压敏变色纺织品等。光敏变色纺织品可以在不同光波的诱导下转换颜色，而温敏纺织品在不同的温度下显示不同的颜色。温敏变色纺织品上图为一种温敏变色纺织品材料，在阳光的照射下，若用手遮住部分阳光，则遮住部分显示不同的颜色。下图为美国康涅狄格大学的GregSotzing博士研制的能随电荷改变颜色的电致变色纤维，该材料有望在服装上实现电视屏幕一般的功能。电至变色纤维3.4防水透湿纺织品防水透湿织物，也叫防水透气织物，可呼吸织物，是集防水、透湿、防风和保暖性能于一体的功能织物。防水透湿要求织物在一定的水压下不被水渗透，而人体散发出的汗液可以以水蒸气的形式通过织物传导至外界。按防水透湿织物的加工方法不同，可分成高密织物、涂层织物和层压织物。高密织物通过改变织物结构而达到防水透湿的目的。英国锡莱研究所开发的纯棉高密织物Ventile织物是这类防水透湿织物的典型代表，在干燥时汗液可通过纱线间空隙向外界扩散，而在浸湿后棉纤维横向溶胀，纱线、纤维间隙变得很小，表现出防水性。涂层织物即在织物表面涂上一层能形成薄膜的高分子化合物。高分子化合物一般不进入织物内部，在表面形成连续的薄膜，使织物具有特定的功能。如美国Nextec公司以胶囊介入防护工艺形成防水透气的防护层。层压织物是将有防水透湿功能的薄膜采用特殊的胶黏剂，层压或黏结到各类织物上，从而使织物获得防水透湿的效果。层压织物采用的高聚物薄膜主要有两类：亲水型和微孔型。Gore公司的第2代Gore—tex产品就是将PTFE薄膜层压与亲水PUS涂层相结合以实现防水透湿功能且服用过程中不堵塞微孔。台湾i-life公司开发的PTFE纳米防水透湿外套智能型防水透湿织物要求织物在不同的环境下具有不同的透湿性能，如高温下要求高的透湿性能以保证良好的排热排汗性，而低温时较低的透湿气性可保证取暖性。一般采用形状记忆聚氨酯智能膜制备的防水透湿织物，如日本三菱开发的Diary和Azekura形状记忆PUS涂层织物，不仅可防水透气，且其透湿性可通过体温加以控制，达到调节体温的作用，可用作运动服和婴幼儿尿布等。3.5电子信息智能纺织品电子信息智能纺织品通过将柔性的微电子元件植入纺织品内部，使传感器、柔性体纺织开关、柔性电子线路板和导电纱线等与纺织品融为一体。其中微电子元件和纺织品的结合主要采用模块化技术、嵌入式技术和基于纤维的技术三种方式。3.5.1模块化技术电子元器件作为纺织品的功能模块集成到纺织品上，当前的一些商业化的智能服装，采用了这种集成模式，通过在服装中集成各种传感器，实现对人体温度、速度、心律、位置等数据的监测，例如Adidas公司的micoach监测设备，能够收集动作及训练、比赛中的心脏数据，帮助建立特定运动和目标的训练计划，已经集成到运动服装、运动鞋。目前已上市的Mimo婴儿连体衣公司，其将电子传感器内置于可清洗的婴儿连体衣内，使其可以追踪监测到婴儿的活动量、呼吸和体温。监测到的数据将被传输到小乌龟形状的Wifi连接器中，再发送到父母的智能手机上。其整套产品包括一个小乌龟形状Wifi连接器、一个家用Wifi基站和充电座Lilypad以及三件婴儿连体衣。智能婴儿连体衣智能婴儿连体衣WiFi连接器内置Nike+芯片系列运动鞋3.5.2嵌入式技术电子元件被直接接合到纺织品的某一部分织物中，比如附加在织物上通过导电纱线连接的电路板，基于织物的柔性传感器、整合电路等。通过将电子系统加入到纤维和织物中，可使电子装置的体积明显降低，提供更好的便携性。德国的Infineon公司研究的高度集成化的芯片和传感器技术，能够较好地实现纺织产品与电子技术的集成。通过传导纤维将微电子元件集成到布料3.5.3基于纤维的技术部分或所有必须的电子元件及传感器直接由纤维和织物构成，如柔性压敏材料，纳米电子智能型面料，以及纺织品柔性显示器等。柔性压敏材料由轻质的导电性织物和具有独特电子性能的复合材料组合在一起，其在一般状态下绝缘，但若受挤压或弯曲则会使电阻减少，直至具有导电性。因此，在服装上可以利用柔性压敏材料与安装的电子装置进行对接，实现电脑系统和电子装置之间的沟通。而纺织品柔性显示器利用特殊的编织技术和光感纤维技术制作而成，如美国Auburn大学开发的光敏纤维可发生光诱导可逆性光学变化和热反射变化，可以用于制造柔性显示器，而以色列的Visson公司曾在0.2mm薄型纺织品上制成显示器样本。目前，随着消费电子领域LG、三星、苹果等公司对柔性显示屏的眷顾，纺织品柔性显示技术的研究必然会受到更多关注。四、智能纺织品的发展状况随着Google眼镜的推出，可穿戴设备迅速进入大众视野，例如智能眼镜、口罩、项链、手环、手表和计步器等。虽然这些设备包含了诸多有用特性，但仍存在功能单一、体积较大、携带不方便等问题。显然，将各种可穿戴设备无缝地集成到服装上，能够提供更自然的交互体验。高新技术、信息技术与纺织品相结合，将促进纺织品的升级换代，智能纺织品将会成为新世纪纺织品竞争的焦点之一。未来的智能纺织品将向以下几个方向发展：1.多功能化：由于技术水平的局限性，目前大部分智能纺织品的功能过于单一。随着科技的发展，智能纺织品将趋于多功能化，如同时包含形状记忆、生理监测、全球定位及音乐播放等功能。2.低成本化：未来的智能纺织品将具备低成本的组合技术，那样，智能纺织品的价格才能被普通消费者接受，才能有更广阔的市场。3.易于穿着：智能纺织品将会与普通纺织品一样穿着舒适，可随意折叠、洗涤和进行各种整理，同时各种电子产品直接嵌入面料中，使智能纺织品与普通纺织品看起来没什么两样。4.美观：智能化的纺织品，尤其是针对普通消费者的纺织品，不仅要有强大的功能性，还要符合美学的要求，符合时尚的要求。