智能服裝材料及其在安全性服裝中的應用

方東根， 沈 雷， 胡 哲

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學 紡織服裝學院， 江蘇 無錫 214122)

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智能服裝材料及其在安全性服裝中的應用

方東根1,2， 沈 雷1,2， 胡 哲2

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學 紡織服裝學院， 江蘇 無錫 214122)

通過對近20年來國內外智能服裝材料的研究成果進行梳理，明確智能服裝材料的分類，并選擇了幾種具有代表性的作為重點展開介紹。同時，對安全性服裝設計進行綜述，將智能服裝材料作為安全性服裝的安全因子與之結合，從而實現科技與時尚的融合。明確智能服裝材料應用于安全性服裝的設計原則和設計方法，強調在應用過程中功能設計、款式設計、色彩設計的三位一體。探討了未來智能服裝材料及其在安全性服裝中應用的發展趨勢。

智能服裝材料； 安全性服裝； 服用性能； 安全因子

智能材料是指模仿生命系統，同時具有感知和驅動雙重功能的材料[1]。近年來隨著電子信息技術[2-4]、仿生技術[5]、納米技術[6-8]、3D打印技術[9]等高新技術的發展，智能材料正朝著功能優化、低成本化、環保安全等方向發展，并有部分產品實現產業化，在軍事、醫療、建筑、紡織服裝等領域產生著重要影響[10-12]。

材料是服裝設計的三要素之一，是構成服裝的物質基礎，款式與色彩必須依附其之上才得以展現。在服裝設計領域，很長一段時間都處于一種以造型、結構設計為主導的局面，直到20世紀五六十年代，材料才被設計師們加以重視并不斷創新。一方面，服裝設計師們通過對材料進行創新設計來緩解依靠造型設計陷入黔驢技窮的局面[13]。同時，隨著人們對服裝要求的日益提升，一種以安全為主要目的的服裝，即安全性服裝[14]，受到越來越多的關注。為對人體形成更安全的防護作用，近些年來智能材料作為安全因子[15]被逐漸應用于安全性服裝當中，即所謂的智能化安全服裝。本文只針對智能化安全服裝進行研究，即文中所述安全性服裝特指智能化安全服裝，但是智能材料并不都具有很好的服用性能，為在一定程度上滿足人們日常穿著的要求，智能材料應用于安全性服裝中需要從多方面加以考慮，其中設計是重要的一環。

1 智能服裝材料概述

為更好地將智能材料用于服裝中，近些年來一些學者致力于對智能服裝材料的研究。智能服裝材料的研發是智能材料研究的延伸。

1.1 智能服裝材料研究現狀

智能服裝材料指保留服裝材料固有風格和服用性能的智能材料[16]，其對能量、信息具備儲存、傳遞和轉化的功能[17]。它的形狀主要有三維的塊狀、二維的薄膜狀、一維的纖維狀和準零維的納米粉體狀4種[18]。其中智能纖維由于長徑比大且具有較強的可加工性[19]，目前研發較為成熟。近些年來，隨著服裝功能的不斷延伸，一些非纖維狀電子信息類材料開始應用于服裝當中，且與服裝的結合越來越自然。

目前設計智能服裝材料的指導思想主要有材料的仿生設計和材料的多功能復合2種[20-21]。其中美國、英國、芬蘭、日本等發達國家在該領域的研究較我國更為先進，比較著名的有美國太空總署為登月計劃研發的Outlast?纖維、日本東麗公司開發的熱敏變色材料Sway[22]以及芬蘭的智能電子信息類材料[23]，這些材料大都已實現工業化生產，但由于針對智能服裝材料的研究近些年才興起，各國對這一領域都有自己的見解，因此當前很難形成一個統一規范的知識體系。同時，產品的可靠性以及性能優化也都需要繼續加以研究。我國現有研究很大程度上借鑒于國外，曹立輝[16]就國際上智能服裝材料的開發與應用作了宏觀的介紹，譚立平[24]對智能軍服材料進行了研究。近些年來我國也開始注重自主研發，國家自然科學基金和“863”項目加大這方面的研究，特別是一些關于航空、航天等特殊領域用智能服裝材料的研發。

1.2 智能服裝材料的開發與應用

目前智能服裝材料種類繁多，分類不一，其中以2大類最為常見：一類是智能纖維；一類是非纖維類智能服裝材料，后者以電子元件最為常見。圖1示出智能服裝材料的分類。

圖1 智能服裝材料的分類Fig.1 Classification of smart garment materials

1.2.1 智能纖維

智能纖維為纖維狀智能服裝材料[25]，是目前智能服裝材料開發與應用最為廣泛的一類，而其中以敏感型智能纖維最為普遍，如溫敏纖維、光敏纖維、pH響應性纖維等。目前國內外開發的智能纖維主要有以下6種。

1.2.1.1 智能凝膠纖維 智能凝膠纖維是指能隨外界刺激發生體積或形態改變的凝膠纖維[26]。根據刺激條件的不同，主要可分為pH響應性、溫敏、光敏以及電敏等品類[27]，其中以pH響應性凝膠纖維最為常見，如聚甲基丙烯酸甲酯-聚N-異丙基丙烯酰胺-聚丙烯酸、聚乙烯醇纖維、聚丙烯腈等。

智能凝膠纖維具有自適應性、生物相容性，近年來常被用于智能紡織品的開發設計中，如防水透濕膨脹織物、智能抗菌及醫用紡織品、防紫外線織物和智能蓄冷紡織品等。美國Midé技術公司利用溫度響應性水凝膠纖維開發了一款名為SmartSkin的新型智能潛水服[28]，具有良好的防水透濕效果。

1.2.1.2 形狀記憶纖維 形狀記憶纖維是指在一定條件下(應力、溫度等)發生塑性形變后，在特定條件刺激下能恢復初始形狀的一類纖維，其原始形狀可設計成直線、波浪、螺旋或其它形狀。主要有形狀記憶合金纖維、形狀記憶聚合物纖維和經整理劑加工的形狀記憶功能纖維3大類[29]。

形狀記憶纖維在紡織品上具有較為廣闊的應用前景，可被開發成眾多品類、功能的服飾，如阻熱隔熱服、防水透濕服、懶人襯衫、抗浸保溫服等。尤其被用于以下場合：1)用于領口、袖口以及下擺等有較高保形要求的部位；2)用于衣服肘部、大衣后擺、褲子膝部等部位，以滿足回復要求；3)用于針織物等保形性差的材料中，以改善織物性能。

1.2.1.3 相變纖維 相變纖維是一種能夠自動感知環境溫度的變化進而智能調節溫度的高科技纖維產品[30]。它通過結合相變材料技術與纖維制造技術進行開發。其內包含的相變物質通過發生固-液或固-固可逆轉化可使纖維具有雙向溫度調節和適應性。當環境溫度高于某一閾值時，材料相變吸熱而具有制冷效果；當環境溫度低于某一閾值時，材料相變放熱而具有保溫效果，以此來控制纖維周圍的溫度。相變材料(PCM)有無機PCM、有機PCM和復合PCM[31]之分。相變纖維加工方法主要有涂層法、微膠囊混合法、中空纖維填充法和復合紡絲法。目前市場上比較具有代表性的相變纖維產品有Outlast?、Comfortemp?、Thermasorb?和Cool Vest?[32]等，它們可在溫度振蕩環境中反復循環使用，并且熱循環次數普遍都達到1 000次以上，被用于滑雪服、登山服以及軍服等服裝中。

1.2.1.4 智能變色纖維 智能變色纖維是一種具有特殊組成或結構，在受到外界刺激后能夠自動發生可逆性顏色變化的纖維[33]。

1)溫敏變色纖維。其變色機制為：在某一溫度刺激下，纖維內或纖維表面的溫敏變色物質會發生晶型轉變或結構轉變，而在另一溫度刺激下，這種溫敏變色物質又會變回原來的狀態，從而使顏色發生可逆變化[34]。其中日本東麗公司1988年研發的溫敏變色纖維Sway在溫度的刺激下能變化出64種顏色，并且溫差超過5 ℃就能變化；英國默克化學公司生產的變色纖維在28 ℃顯紅色，而在33 ℃會變為藍色。這些溫敏變色纖維被廣泛用于實現軍事偽裝、舞臺特效等。

2)光敏變色纖維。其變色機制為：在紫外光或可見光的照射下，某些化合物會發生分子結構方式或電子能級的變化形成新的吸收光譜不同的化合物，而在另一光照條件下，這種化合物又會返回原來的狀態，以此不斷循環發生可逆變化。其中日本松井色素化學工業公司生產的光敏變色纖維通過紫外光或陽光的刺激會變成深綠色，而在無陽光的條件下不變色；我國東華大學研發的光敏變色纖維在紫外光或陽光的作用下能在無色和藍色2種顏色中發生可逆變化；而美國加州大學研制出了一種可隨著光線的改變而調節透光程度的智能纖維，可用于制作窗簾。

1.2.1.5 光導纖維 光導纖維是一種可將光能封閉在纖維中并使其以波導方式進行傳輸的光學復合纖維，亦稱為智能光纖，由纖芯和包層2部分組成，具有優異的傳輸性能，可隨時提供描述系統狀態的準確信息。目前有2種纖維結構能夠形成波導傳輸：一是階躍型。階躍型光導纖維的纖芯與包層間界面形成全反射，因此光在其中呈鋸齒狀曲折前進。二是梯度型。梯度型光導纖維的纖芯折射率從中心軸線沿徑向逐漸減小，因此傳輸時會形成周期性的會聚和發散，使光呈波浪式曲線前進[35]。光導纖維的制備方法主要有棒管法、沉積法、復合紡絲法、離子交換法、單體擴散法、共混法以及界面凝膠共聚法等。光導纖維直徑細、柔韌性好、易加工，同時兼具信息感知和傳輸的雙重功能，被人們公認為首選的傳感材料，近些年來其被廣泛用于制作各類傳感器，在智能服裝、安全性服裝等新型服裝中屢有應用，以實現對外界環境的溫度、壓力、位移等狀況以及人體的體溫、心跳、血壓、呼吸等生理指標的監控。

1.2.1.6 導電纖維 導電纖維是指在標準狀態(20 ℃、相對濕度65%)下，比電阻低于107Ω·cm的纖維[36]，其具有優良的導電性能，并能通過電子傳導和電暈放電來消除靜電，主要被用于消除靜電、吸收電磁波以及探測和傳輸電信號。目前導電纖維主要有以下3種：金屬纖維、碳纖維、導電聚合物等導電物質均一型；合成纖維外層涂覆碳黑等導電成分的導電物質包覆型；碳黑或金屬化合物與成纖高聚物復合紡絲得到的導電物質復合型[36]。

1.2.2 非纖維類智能服裝材料

智能纖維在服裝中的應用形式較為廣泛，與其不同的是，非纖維類智能服裝材料在服裝中的應用主要以附加設備的形式與服裝進行結合，特別是電子智能服裝材料。電子智能服裝材料是指將電子技術、信息技術等高新技術融入紡織服裝產品的高科技材料[16]。為更好地融合科技、時尚與實用性，目前的電子智能服裝材料都具有或部分具有如下物理機械性能：1)高拉伸強度；2)高撕裂強度；3)高耐磨損性能；4)可控制空氣滲透性；5)良好的可洗滌性；6)良好的尺寸穩定性；7)應變恢復性好；8)質量輕等。它主要包括微型器件、柔性器件和供電電源等[21]。

微型器件和柔性器件的研發加速了非纖維類智能服裝材料應用于服裝的實踐[37-39]，而電子類產品的運作離不開供電電源。其中微型器件主要是一些智能傳感器材料，如微芯片傳感器、光纖傳感器、壓電傳感器等，而柔性器件包括柔性顯示器、軟鍵盤和柔性開關等。供電電源是目前電子信息類服裝發展的一個瓶頸，近些年一些新型供電方式的出現為電子信息類服裝的研發帶來了新的動力。如太陽能電池、溫差發電以及體能發電等。德國英飛凌公司研發出一種新型的硅基熱能發電芯片，利用溫差發電，其能夠在5 ℃的溫差環境下輸出1.0 μW/cm2的電量和5 V/cm2以上的電壓。

美國Auburn大學和Clemson大學以及以色列VISSON公司等機構都在開發電子智能服裝材料及其產品。如美國George Tech Research公司和Sensa Tex公司合作研發的可監測體溫、血壓、心跳、呼吸等生理指標的智能醫護襯衫，芬蘭Reima-Tutta服裝公司以及拉普蘭大學和坦佩雷理工大學合作研發的雪地救援智能服裝，美國以及日本等國家正在研發的可穿戴計算機等。

2 安全性服裝設計

如前所述，安全性服裝主要以安全為目的。本文所討論的安全性服裝特指智能化安全服裝。智能服裝材料作為安全因子，是智能化安全服裝功能實現的物質基礎，但其應用于服裝可能會在舒適性、安全性方面產生新的問題，因此在安全性服裝的研發過程中應做到功能設計、款式設計和色彩設計三位一體，同時結合多學科知識的交叉運用。圖2示出安全性服裝的設計模式。

圖2 安全性服裝的設計模式Fig.2 Design process of security clothing

2.1 設計原則

安全性服裝的設計以用戶為中心，安全是其主要目的，因此在智能服裝材料應用于安全性服裝的實踐中要時刻牢記“以人為本，環保安全”的原則[40]，即要做到以下3點：一是對設計所針對的群體進行需求分析；二是對設計手段不斷優化；三是確保整個過程的環保、安全化。安全性服裝所謂的安全，需要經過一定的安全性評價，而標準是評定安全性服裝安全與否的依據。另一方面，標準復雜多樣：對同一類服裝的國內外標準不一，如有國際標準ISO、歐洲標準EN、美國材料與試驗協會標準ASTM、英國標準學會標準BS、國標GB等各種不同標準；不同的服裝品類又對應不同的標準，如ASTM D3995—2002《男人及婦女用針織職員工作服織物的標準性能規范》規定了男女針織職業裝的標準、GB/T 28468—2012《中小學生交通安全反光校服》規定了中小學生交通安全反光校服的相關標準等；亦或針對某一類服裝并沒有明確的標準可言，而這在電子智能服裝材料應用于安全性服裝的實踐中普遍存在，因此在智能服裝材料應用于安全性服裝的實踐中要注意對以標準維系的服裝安全系統的構建，以實現良性循環。

2.2 設計方法

與傳統服裝強調款式設計與色彩設計不同，智能服裝材料應用于安全性服裝的實踐中要做到功能設計、款式設計和色彩設計的三位一體。

2.2.1 功能設計

安全性服裝的安全功能是首位，但智能服裝材料有其特殊性，特別是電子類材料，它不能任意剪裁或編織，因此在智能服裝材料應用于安全性服裝的實踐中有必要進行功能設計，比如根據服裝款式和結構特點來設計柔性電路等。在進行功能設計時，應首先對目標用戶的應用需求進行詳細的調研與分析，同時分析與之相關的傳統服裝，找出其優缺點，去粗取精，以避免對現有有效部分再次設計帶來的附加工作量。同時，搜集相關功能設計手段，并根據目標用戶的需求順序依次進行篩選[41]，在這個過程中注意協調好各功能之間的矛盾，明確最優功能設計方案。Buzan[42]在搜集設計手段時采用思想地圖法，讓思維以研究主題為中心不斷向外發散，并以樹枝狀依次進行記錄；Ashdown等采用分區設計法將單兵毒氣防護服分為8個功能區域并相應進行設計；Knapp提出層次決定法將防護服功能設計需求分為不同的層次，并依次在各層中選出合適的方法，從而確定設計方案[41]。這些功能設計的方法都為智能服裝材料在安全性服裝中的應用研究提供了參考。目前，智能服裝材料應用于安全性服裝的功能設計常用手段有材料選擇、結構設計和附加設備等[41]，而具體使用何種手段根據相應應用需求來定。表1示出安全性服裝功能設計的常用手段。至于設計方案的可行性通過分級式測評確定，即從材料的生物物理性能測試、服裝的生物物理性能測試、氣候艙受控試驗、有限的現場試驗和現場試驗5個方面[43]進行評價，并不斷改進，以保證設計方案的可靠性，從而確定最終方案。

表1 安全性服裝功能設計常用手段Tab.1 Normal functional design methods for security clothing

2.2.2 款式設計

安全性服裝的款式設計主要是為增加服裝的美觀性，同時配合功能的實現，因此在安全性服裝的款式設計中應圍繞相應的功能展開，運用一些方法進行相應設計，如圖案設計、刺繡等，從而達到服裝的美觀性與功能性統一。

針對服裝款式進行設計的方法眾多，也較為成熟，但安全性服裝作為一種新型服裝，在對其進行款式設計的實踐中可借鑒經驗相對較少。早期的安全性服裝主要重功能輕設計，因此很多服裝的美觀性達不到用戶的要求，近些年來以用戶為中心的研發模式促進了科技與時尚的融合，從而使安全性服裝更加時尚化與生活化。圖3示出Mino公司研發的嬰兒連體衣。其將英特爾Edison芯片隱藏在綠色可拆卸塑料烏龜內，同時對服裝的圖案進行設計，使之與烏龜協調。江南大學研發的定位幼兒園園服中，將iBeacon定位元件設計在校徽內，并針對校徽進行專門的設計，使之與服裝形成一個有機的整體。

圖3 Mino嬰兒連體衣Fig.3 Mino baby onesies

2.2.3 色彩設計

色彩與款式一樣，一直以來都被設計師們視為服裝設計三要素之一，因此在智能服裝材料應用與安全性服裝中對色彩設計的重要性不可小覷。2014年Mino公司生產的嬰兒連體衣中，對電子元件的設計采用綠色，從而讓人擺脫電子元件的生硬與不安全感。目前，服裝設計師們主要從色彩的面積、形狀、位置、肌理等方面進行設計來實現服裝的和諧，以達到功能設計、款式設計和色彩設計的三位一體。而微膠囊技術、納米技術等先進技術[44]也為色彩設計提供了更多的支持。同時，每年的流行色也為色彩設計提供了指導[45]。

3 結 語

隨著科學技術的發展以及人們安全意識的增強，一種以安全為主要目的的安全性服裝受到了越來越多人的關注，而智能服裝材料的發展以及其在安全性服裝中的應用助力了安全性服裝的發展。未來智能服裝材料將朝著差別化和高性能化、復合化和系統化、商業化和時尚化等方向發展，而多學科知識的交叉運用也會為這種趨勢提供更多的技術支持，從而推動智能服裝材料在安全性服裝中的應用研究，實現功能設計、款式設計和色彩設計的三位一體。

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Review of smart garment materials and wearability thereof

FANG Donggen1,2， SHEN Lei1,2， HU Zhe2
(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.CollegeofTextileandClothing,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

This paper combs the research findings of smart garment materials at home and abroad over the past 20 years, then defines its classification, and chooses several representative categories as a key introduction. At the same time, the paper overviews the design of security clothing and regards the smart material as a security element to apply for the design of security clothing to realize the fusion of technology and fashion. Also it points out the application principles and methods for using smart garment materials in security clothing and emphasizes three-in-one of function design, style design, color design by analyzing the design patterns for security clothing. Finally, the paper explores the development trend of smart garment material and its application practice in security clothing in the future.

smart garment material; security clothing; fiber; wearability; safety factor

10.13475/j.fzxb.20141005807

2014-10-27

2015-03-24

教育部人文社會科學研究基金項目(11YJA760059)；江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(SBY201320235)；江蘇服裝品牌創新戰略研究項目(12SYC-047)

方東根(1990—)，男，碩士生。主要從事服裝安全設計與品牌研究。沈雷，通信作者，E-mail：shenlei99913@aliyun.com。

TS 941. 73

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